臺灣博碩士論文加值系統

本論文提出一系列整合電流激發機制與磁流激發機制的多頻混合型天線設計。混合型天線的設計概念在於多頻的特性是利用電流機制模態與磁流機制模態來共同達成。前兩個設計，電流激發機制天線與磁流激發機制天線是以堆疊的形式組合在一起，而且均能達成多頻的操作。最後兩個天線則是提出能夠將這兩種機制整合在單一片介質基板上的設計，且分別在直立式與折疊式行動手機的應用架構下實現，此外，為了通過行動手機在開發過程中所需通過的規範測試與分析環境變化的效應，將以第四章中的直立式與折疊式混合型五頻行動手機天線來進行分析，討論的主題有揚聲器元件對天線輻射特性的影響、使用者手部與頭部對於天線特性的影響以及助聽器相容能力的分析。

In this dissertation, a series of multiband hybrid mobile phone antennas, incorporating the electric-current and equivalent magnetic-current excitation mechanisms are presented. The design concept of the hybrid antenna is that the multiband operation is achieved by incorporating the resonant modes generated by the two above-mentioned excitation mechanisms. In the first and the second antenna designs, they are obtained by stacking the antennas using the electric-current and equivalent magnetic-current excitations, and both can achieve multiband operations. For the last two antenna designs, the two different excitation mechanisms can be incorporated on a single metal plate or dielectric substrate. This kind of hybrid are promising for application in bar-type and folder-type mobile phones. Besides, in order to pass some required testing criterions and analyze the environmental effects, the hybrid penta-band mobile phone antenna applied in bar-type and folder-type mobile phones is analyzed. The main topics include the speaker’s effects on the antenna’s performances, the analysis of user’s hand and head effects, and the analysis of the hearing aid compatibility.

文字目錄

文字目錄 i
圖形目錄 iii
表格目錄 x

第一章 序論 (Introduction) 1
1.1 概述 1
1.2 文獻導覽 2
1.3 論文提要 4

第二章 四頻混合型倒F形天線/單極槽孔天線(Quad-Band Hybrid PIFA/Monopole Slot Antenna) 5
2.1 天線設計與原理 5
2.2 實驗結果與分析 9
2.3 心得與討論 26

第三章 四頻混合型迴圈/單極槽孔天線 (Quad-Band Hybrid Loop/ Monopole Slot Antenna) 27
3.1 天線設計與原理 28
3.2 實驗結果與分析 31
3.3 心得與討論 42

第四章 單片式五頻混合型天線設計(Single-Plate Penta-Band Hybrid Antenna) 44
4.1 具有一螺旋狀環繞槽孔之平面短路單極天線 45
4.1.1天線設計與原理 45
4.1.2實驗結果與分析 51
4.2 具有一螺旋單極槽孔之平面短路單極天線 62
4.2.1天線設計與原理 62
4.2.2實驗結果與分析 64
4.3 心得與討論 77

第五章 行動手機之環境效應與測試規範(Environmental Effects and Testing Criterions for Mobile Phones) 78
5.1揚聲器元件對天線特性的影響 78
5.1.1揚聲器元件與測試模型 79
5.1.2實驗結果與分析 81
5.2使用者手頭對於天線特性的影響..................................................86
5.2.1使用者手頭的模型與實驗設計 87
5.2.1實驗結果與分析 90
5.3 HAC值的模擬與分析...................................................................106
5.3.1 HAC量測規定與測試天線 108
5.3.2實驗結果與分析 111
5.4心得與討論 115

第六章 結論 (Conclusion) 117

參考文獻 (References) 119

論文著作表 (Publication List) 125


圖形目錄

圖1.1 業界常用的天線種類(左至右分別為單極天線、平板倒F形天線和短路單極天線)。 3
圖2.1 適用於行動手機之混合型倒F形天線/單極槽孔天線：(a)天線結構圖；(b)天線側視與上視圖。 6
圖2.2 本項天線設計在頻率為(a) 920 MHz；(b) 1770 MHz；(c) 2200 MHz時之模擬表面電流分佈與電場強度分佈圖。 8
圖2.3 本項天線設計之實驗量測與模擬返回損失圖。 10
圖2.4 只存在倒F形天線或只存在單極槽孔天線之模擬返回損失曲線圖。....10
圖2.5 本項天線設計使用直接饋入與電容耦合饋入之模擬(a)返回損失比較圖與(b)輸入阻抗圖。 11
圖2.6 本項天線設計變化倒F形天線之輻射金屬片長度a之模擬返回損失。.12
圖2.7 本項天線設計變化單極槽孔天線之槽孔長度b之模擬返回損失比較。.13
圖2.8 本項天線設計變化接地面長度L之模擬返回損失比較圖。..................14
圖2.9 本項天線設計於920 MHz時實驗量測之(a)二維遠場輻射場型圖；(b)三維遠場輻射場型圖。 15
圖2.10 本項天線設計於1795 MHz時實驗量測之(a)二維遠場輻射場型圖；(b)三維遠場輻射場型圖。 16
圖2.11 本項天線設計於1920 MHz時實驗量測之(a)二維遠場輻射場型圖；(b)三維遠場輻射場型圖。 17
圖2.12 本項天線設計於2045 MHz時實驗量測之(a)二維遠場輻射場型圖；(b)三維遠場輻射場型圖。 18
圖2.13 本項天線設計於920 MHz之Ansoft HFSS模擬(a)二維遠場輻射場型圖；(b)三維遠場輻射場型圖。 20
圖2.14 本項天線設計於1795 MHz之Ansoft HFSS模擬(a)二維遠場輻射場型圖；(b)三維遠場輻射場型圖。 21
圖2.15 本項天線設計於1920 MHz之Ansoft HFSS模擬(a)二維遠場輻射場型圖；(b)三維遠場輻射場型圖。 22
圖2.16 本項天線設計於2045 MHz之Ansoft HFSS模擬(a)二維遠場輻射場型圖；(b)三維遠場輻射場型圖。 23
圖2.17 本項天線設計在GSM900操作頻帶內之量測最大天線增益與模擬輻射效率圖。 24
圖2.18 本項天線設計在GSM1800/1900/UMTS操作頻帶內之量測最大天線增益與模擬輻射效率圖。 24
圖3.1 適用行動手機之混合型迴圈/單極槽孔天線：(a)天線完整立體結構圖；(b)天線平面展開圖。 28
圖3.2 本項天線設計於830、1020、1740與2000 MHz時之Ansoft HFSS模擬(a)電場強度分佈圖與(b)表面電流分佈圖。 30
圖3.3 本項天線設計實驗量測與模擬之返回損失圖。 32
圖3.4 本項天線設計與單獨只有迴圈天線之模擬返回損失圖。 32
圖3.5 改變迴圈天線蜿蜒線段長度t於本項天線設計模擬返回損失之比較圖。 33
圖3.6 本項天線設計對應圖3.5之模擬天線輸入阻抗圖。(a)實部阻抗圖；(b)虛部阻抗圖。 34
圖3.7 改變單極槽孔天線之槽孔長度l於本項天線設計模擬返回損失之比較圖。 35
圖3.8 改變接地面長度L於本項天線設計模擬返回損失之比較圖。 36
圖3.9 本項天線設計於860 MHz時實驗量測之二維遠場輻射場型圖。 37
圖3.10 本項天線設計於920 MHz時實驗量測之二維遠場輻射場型圖。 37
圖3.11 本項天線設計於1795 MHz時實驗量測之二維遠場輻射場型圖。 38
圖3.12 本項天線設計於1920 MHz時實驗量測之二維遠場輻射場型圖。 38
圖3.13 本項天線設計之Ansoft HFSS模擬三維遠場輻射場型圖。(a) 860 MHz；(b) 920 MHz；(c) 1795 MHz；(d) 1920 MHz。 39
圖3.14 本項天線設計實驗量測之三維遠場輻射場型圖。(a) 860 MHz；(b) 920 MHz；(c) 1795 MHz；(d) 1920 MHz。 40
圖3.15 本項天線設計操作在GSM850/900頻帶內之量測最大天線增益與模擬輻射效率圖。 40
圖3.16 本項天線設計操作在GSM1800/1900頻帶內之量測最大天線增益與模擬輻射效率圖。 41
圖4.1 單片式五頻混合型行動手機天線立體結構圖。 46
圖4.2 單片式五頻混合型行動手機天線上視與側視結構圖。 46
圖4.3 本天線設計之整合式輻射部的(a)模擬電場分佈圖( f = 860, 1000, 1650, 1900, 2300 MHz)與(b)模擬表面電流圖(f = 1000, 1900 MHz)。 48
圖4.4 短路單極天線與具有槽孔之短路單極天線之模擬返回損失比較圖。 50
圖4.5 本項天線設計之量測與模擬返回損失圖。 51
圖4.6 改變饋入端槽孔長度a於本項天線設計模擬返回損失之比較圖。 52
圖4.7 改變末端槽孔長度b於本項天線設計模擬返回損失之比較圖。 52
圖4.8 改變系統接地面長度L於本項天線設計模擬返回損失之比較圖。 53
圖4.9 本項天線設計於860 MHz之(a)二維模擬與實驗量測遠場輻射場型比較圖；(b)三維模擬與實驗量測遠場輻射場型圖。 54
圖4.10 本項天線設計於920 MHz之(a)二維模擬與實驗量測遠場輻射場型比較圖；(b)三維模擬與實驗量測遠場輻射場型圖。 55
圖4.11 本項天線設計於1795 MHz之(a)二維模擬與實驗量測遠場輻射場型比較圖；(b)三維模擬與實驗量測遠場輻射場型圖。 56
圖4.12 本項天線設計於1920 MHz之(a)二維模擬與實驗量測遠場輻射場型比較圖；(b)三維模擬與實驗量測遠場輻射場型圖。 57
圖4.13 本項天線設計於2045 MHz之(a)二維模擬與實驗量測遠場輻射場型比較圖；(b)三維模擬與實驗量測遠場輻射場型圖。 58
圖4.14 本項天線設計操作在GSM850/900頻帶內之量測增益與模擬輻射效率圖。 60
圖4.15 本項天線設計操作在GSM1800/1900/UMTS頻帶內之量測增益與模擬輻射效率圖。 60
圖4.16 適用於折疊式行動手機之單片式五頻混合型行動手機天線(a)天線立體結構圖；(b)天線上視與側視圖。 63
圖4.17 本項設計處於收聽使用狀態與待機狀態時之(a)模擬與(b)實驗量測返回損失比較圖。 65
圖4.18 比較傳統短路單極天線(直接饋入)、具有電容式耦合饋入的單極天線與本項天線設計之間的返回損失圖。 66
圖4.19 本項天線設計的輸入阻抗圖。(a)比較傳統短路單極天線與電容式耦合饋入單極天線及(b)比較電容式耦合饋入單極天線與本項天線設計。 67
圖4.20 改變主與上板接地面長度L於本項天線設計模擬返回損失之比較圖。 68
圖4.21 改變封閉端槽孔長度a於本項天線設計模擬返回損失之比較圖。 68
圖4.22 改變開口端槽孔長度b於本項天線設計模擬返回損失之比較圖。 69
圖4.23 改變饋入金屬線段長度t於本項天線設計模擬返回損失之比較圖。...69
圖4.24 本項天線設計於860 MHz之二維模擬與量測遠場輻射場型圖。. 71
圖4.25 本項天線設計於920 MHz之二維模擬與量測遠場輻射場型圖 71
圖4.26 本項天線設計於1795 MHz之二維模擬與量測遠場輻射場型圖。 72
圖4.27 本項天線設計於1920 MHz之二維模擬與量測遠場輻射場型圖。 72
圖4.28 本項天線設計於2045 MHz之二維模擬與量測遠場輻射場型圖。 73
圖4.29 本天線於(a) 860MHz與(b) 920 MHz之三維模擬與量測輻射場型圖。 73
圖4.30 本天線於(a) 1795 MHz；(b) 1920 MHz；(c)2045 MHz之三維模擬與量測輻射場型圖。 74
圖4.31 本項天線設計操作在GSM850/900頻帶內之量測增益與模擬輻射效率圖。 75
圖4.32 本項天線設計操作在GSM1800/1900/UMTS頻帶內之量測增益與模擬輻射效率圖。 75
圖5.1 模擬設定中所參考的揚聲器照片。 79
圖5.2 揚聲器元件模擬結構圖與相關材料參數。 80
圖5.3 考慮揚聲器元件之模擬五頻混合型手機天線結構圖。 81
圖5.4 已考慮與未考慮塑膠機殼之模擬返回損失比較圖。 82
圖5.5 單獨整合揚聲器與整合揚聲器且串聯個晶片電感元件之返回損失圖。 82
圖5.6 單獨整合揚聲器與整合揚聲器且串聯個晶片電感元件之模擬輻射效率比較圖。(a) GSM850/900頻帶；(b) GSM1800/1900/UMTS頻帶。 84
圖5.7 本參考天線設計與揚聲器之模擬表面電流圖。 85
圖5.8 使用者(a)手部與(b)頭部模型之模擬模擬組成結構。 86
圖5.9 (a)參考天線設計一與(b)參考天線設計二之模擬結構圖與座標定義。 87
圖5.10 使用者手握住本參考天線設計一之(a)實作照片與(b)模擬結構圖。 88
圖5.11 參考天線設計靠在使用者頭部右耳之模擬(a)側視與(b)正視模擬結構。 89
圖5.12 參考天線設計靠在使用者頭部右耳且以右手所握持住之模擬(a)側視與(b)正視結構圖。 89
圖5.13 使用者手部握持住參考天線設計一於不同位置d之(a)實驗量測與(b)模擬返回損失圖。 91
圖5.14 使用者手部握持住參考天線設計一不同位置且操作於925 MHz時之三維模擬輻射場型圖；(a)未被使用者手握持的情況；(b) d = 0；(c) d = 40 mm；(d) d = 80 mm。 92
圖5.15 使用者手部握持住參考天線設計一不同位置且操作於1795 MHz時之三維模擬輻射場型圖；(a)未被使用者手握持的情況；(b) d = 0；(c) d = 40 mm；(d) d = 80 mm。 93
圖5.16 使用者手部握持住參考天線設計一不同位置且操作於925與1795 MHz時之模擬輻射效率比較圖。 94
圖5.17 使用者手部握持住參考天線設計二於不同位置d之(a)實驗量測與(b)模擬返回損失圖。 95
圖5.18 使用者手部握持住參考天線設計二不同位置且操作於925 MHz時之三維模擬輻射場型圖；(a)未被使用者手握持的情況；(b) d = 0；(c) d = 40 mm；(d) d = 80 mm。 96
圖5.19 使用者手部握持住參考天線設計二不同位置且操作於1795 MHz時之三維模擬輻射場型圖；(a)未被使用者手握持的情況；(b) d = 0；(c) d = 40 mm；(d) d = 80 mm。 97
圖5.20 使用者手部握持住參考天線設計二不同位置且操作於925與1795 MHz時之模擬輻射效率比較圖。 98
圖5.21 參考天線設計一與參考天線設計二靠在使用者頭部右耳處時之模擬返回損失比較圖。 99
圖5.22 (a)參考天線設計一與(b)參考天線設計二靠在使用者頭部右耳處且操作於925與1795 MHz之三維模擬輻射場型圖。 100
圖5.23 參考天線設計一與參考天線設計二靠近使用者頭部右耳處且操作於(a) GSM850/900頻帶與(b) GSM1800/1900/UMTS頻帶之模擬輻射效率圖。 101
圖5.24 參考天線設計二靠在使用者頭部右耳處並以使用者手部握持住不同位置時之模擬返回損失比較圖。 103
圖5.25 參考天線設計二靠在頭部右耳處並以手部握住不同位置時之三維模擬輻射場型圖；(a) d = 0；(b) d = 40 mm；(c) d = 80 mm。 104
圖5.26 使用者手部握持住參考天線設計二不同位置且操作於925與1795 MHz時之模擬輻射效率比較圖。 105
圖5.27 無線通訊產品與助聽器間訊號耦合關係示意圖。 106
圖5.28 行動手機上的RF發射量測平面定義示意圖。 109
圖5.29 ANSI C63.19-2001規範的近電磁場等級歸類圖。 109
圖5.30 在HAC模擬設定中的(a)直立式與(b)折疊式行動手機結構圖。 110
圖5.31 參考天線設計一操作於925與1795 MHz之電磁場強分佈圖。...112
圖5.32 參考天線設計二操作於925與1795 MHz之電磁場強分佈圖。...113
圖5.33 折疊式行動手機操作於925與1795 MHz之電磁場強分佈圖(a) d = 10 mm；(b) d = 13 mm。 114


表格目錄

表2.1 本項天線設計實驗量測之二維平面之平均增益與最大增益。 25
表2.2 本項天線設計模擬之二維平面之平均增益與最大增益。 26
表3.1 本項天線設計實驗量測之二維平面之平均增益與最大增益。 41
表3.2 本項天線設計模擬之二維平面之平均增益與最大增益。 42
表4.1 本項天線設計之二維實驗量測之平均增益與最大增益。 61
表4.2 本項天線設計模擬之二維平面之平均增益與最大增益。 61
表4.3 本項天線設計之二維實驗量測之平均增益與最大增益。 76
表4.4 本項天線設計模擬之二維平面之平均增益與最大增益。 76
表5.1 使用者手部與頭部相關組織之材料參數列表 87
表5.2 參考天線設計一與天線設計二之SAR值列表。 102
表5.3 參考天線設計一的近電磁場值與等級歸類。 111
表5.4 參考天線設計二的近電磁場值與等級歸類。 111
表5.5 折疊式天線設計於d = 10 mm之近電磁場值與等級歸類。 113
表5.6 折疊式天線設計於d = 13 mm之近電磁場值與等級歸類。 113

參 考 文 獻
(References)

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