臺灣博碩士論文加值系統

本論文的理念是沿用雙片金屬微帶攪動電場之技術來設計一個具雙頻或多頻操作等多元功能的微帶天線。其中作法是先利用單獨一片金屬微帶來攪動天線內原本均勻分佈的電場，進而天線形成兩個模態之分佈。進而干擾用的微帶形狀變化以及更多的干擾微帶結構之運用，藉以改變電場受攪動程度以調整共振頻率間距或者增加天線三頻操作的多元功能。
對於單片微帶攪動天線，不論模擬、量測、理論等數據皆證實了所得的兩模態共振頻率與電場分佈如同理念所預期的情況，而這兩模態都具有可接受的單波束輻射。若與原本矩形形式的微帶干擾天線比較，對於本文所提的箭頭形或者三角形的設計，所得天線的共振頻率間距不只有效地縮減，而且兩模態都具有可接受的單波束輻射。又兩片金屬干擾微帶垂直擺放時，天線的電場分佈顯示共振腔內形成三種不同模態，單波束的輻射也可以維持。
對於數據之掌握，本論文利用原本共振腔理論對剖半的基板填充結構之公式計算天線共振頻率，所得的數據還得搭配經驗公式加以修正，分析過程淺顯易懂，而比較結果充分表現經驗公式的做法更有利於天線共振頻率之估算。而經量測數據證實過的模擬結果更能掌握這類微帶攪動之天線共振頻率、電場分佈以及輻射場等參數。
在本文中的多元天線設計當中，簡單的共平面結構符合PCB製程，而且三頻操作之天線又可應用兩個商用頻段，顯然這種微帶攪動的設計不僅具高設計自由度，也具有實用之價值。

The purpose of thesis is to employ the technique of disturbing electric field by dual patches to design microstrip antennas with high design freedom for dual or multi-band operation. The major approach is to use a single disturbing patch to interfere uniform distribution of the electric field into two different modes. Further, various disturbing patch shapes or more numbers of patches is used to increase disturbing, and either to adjust the separation of resonant frequency or to create the function of triple-band operation for microstrip antennas.
For the microstrip antenna with a single disturbing patch, the simulation, experiment and empirical equation confirm that two different modes with acceptable single-beam radiation are produced as expected. As compared with the antenna with rectangular disturbing patch, the separation resonant frequency of the arrowhead shape and triangular shape mentioned in thesis is not only reduced effectively, two modes also offer acceptable single-beam radiation. As the disturbing patches are vertically placed, the electric field distribution from simulation show that there are three different modes produced in cavity, and single-beam radiation still remains.
For the obtained data, this thesis uses the cavity model on the proposed antenna with half cavity and filled substrate to compute the resonant frequency. The data obtained need to modify by using empirical equation. The analysis procedure is easier to understand, and the result shows that the method of empirical equation is useful for resonant frequency estimation. The simulation confirmed by measurement obtains the parameters of antenna with disturbing patch effectively, such as resonant frequency, electric field distribution and radiation pattern.
The various of antennas designed in thesis are all simple with coplanar structure and eligible for PCB manufacture. Moreover, the triple-band antenna can be applied to two commercial bands, so this disturbing patch design is valuable and can offer high design freedom.

目錄
中文摘要 i
英文摘要 錯誤! 尚未定義書籤。
謝誌 ii
目錄 iv
圖目錄 v
表目錄 viii
第一章 緒論 1
1-1 歷史背景與研究動機 1
1-2 設計方式與研究方法 2
1-3 論文架構 4
第二章 高電介質基板填充的雙頻微帶天線 5
2-1 以模擬探討高電介質基板填充的雙頻微帶天線之結構及分析 5
2-2 理論分析探討剖半結構的高電介質基板填充的雙頻微帶天線 7
2-3 理論、模擬與實驗所得共振頻率之比較 10
2-4 結論 11
第三章 具雙頻操作的單片微帶攪動微帶天線 18
3-1 單片攪動的微帶天線之特性 18
3-2 量測與模擬數據之比較 19
3-3 剖半結構的與單片微帶攪動天線的共振頻率數據之差異 20
3-5 剖半結構參數的修正經驗公式之整理 22
3-6 結論 28
第四章 微帶攪動方式之多元設計及特定頻率之應用 37
4-1 單片微帶攪動微帶天線之共振頻率間距的特性 38
4-2 探討雙片微帶垂直干擾的微帶天線之特性 39
4-3 可應用於特定頻段的雙片微帶垂直干擾微帶天線 40
4-4 結論 41
第五章 總結與討論 60

參考文獻 62




圖目錄
圖2.1 利用高電介質基板填充的雙頻微帶天線之結構圖：(a)上視圖，(b)前視圖。 12

圖2.2 對於圖2.1之雙頻天線，由HFSS所得的S11與頻率之關係圖。其中天線結構參數：t1 = t2 = 20mils，b =0.3cm，c = 1cm，d = 0.7cm，s = 0.7cm，w = 2.5cm， ， 。 13

圖2.3 對於圖2.1之雙頻天線，針對不同模態，由HFSS所得的共振腔內3-D電場向量分佈示意圖：(a)第一模態，(b)第二模態。其中天線結構參數如圖2.2中的數據。 14

圖2.4 對圖2.1之雙頻天線的第一模態，在不同剖面下，由HFSS所得的輻射場型：(a) E-plane，(b) H-plane。其中天線結構參數如圖2.2中的數據，而共振頻率為2.6GHz。 15

圖2.5 對圖2.1之雙頻天線的第二模態，在不同剖面下，由HFSS所得的輻射場型：(a) E-plane，(b) H-plane。其中天線結構參數如圖2.2中的數據，而共振頻率為3.74GHz。 16

圖2.6　對於圖2.1雙頻天線，剖半之後的結構示意圖：(a)共振腔示意圖，(b)分區示意圖。 17

圖3.1　具雙頻操作的單片攪動微帶天線之結構：(a)上視圖，(b)前視圖。 29

圖3.2 對於圖3.1之單片攪動微帶天線，由Ensemble所得的S11與頻率之關係圖。其中天線結構參數：Lx = 4cm、Ly = 2.5cm、 、 、s = 0.65cm、t1=t2 = 20mils、b = 0.5cm、c = 1cm、d = 0.5cm。 30

圖3.3　為圖3.1之單片攪動微帶天線，在不同剖面上，由Ensemble所得的共振腔內之電場分佈圖：(a)沿x = 2cm剖面，(b)沿 y = 0.6cm剖面。其中結構參數如圖3.2中之數據。 31

圖3.4 對圖3.1之單片攪動微帶天線的第一模態，在不同剖面下，由Ensemble所得的輻射場型：(a) E-plane，(b) H-plane。其中天線結構參數如圖3.2中的數據，而共振頻率為3.51GHz。 32

圖3.5 對圖3.1之單片攪動微帶天線的第二模態，在不同剖面下，由Ensemble所得的輻射場型：(a) E-plane，(b) H-plane。其中天線結構參數如圖3.2中的數據，而共振頻率為4.91GHz。 33

圖3.6 對於圖2.6及3.1之單片微帶攪動天線結構，由理論、Ensemble兩方式分別所得的共振頻率與基板電介質變化之關係圖：(a)上層基板、(b)下層基板。天線尺寸同圖2.2中之數據。 34

圖3.7 對於圖2.6及3.1之單片微帶攪動天線結構，在不同電介質組合下，由理論、Ensemble兩方式分別所得的共振頻率與金屬微條帶寬度之關係圖：(a) 2.2/6.2，(b) 3.35/6.2。天線尺寸同圖2.2中之數據。 35

圖3.8 對圖2.6之剖半結構的天線，在五個不同的下層電介質下，由經驗公式轉換而得的上層有效電介質與上層電介質變化之關係圖。而天線尺寸同圖3.2中數據。 36

圖3.9 對圖2.6之剖半結構的天線，在五個不同的上層電介質下，由經驗公式轉換而得的上層有效電介質與下層電介質變化之關係圖。而天線尺寸同圖3.2中數據。 36

圖4.1箭頭形微帶攪動的微帶天線之結構：(a)上視圖，(b)前視圖。 43

圖4.2 對於圖4.1之箭頭形微帶攪動微帶天線，由Ensemble所得的S11與頻率之關係圖。其中天線結構參數：Lx = 4cm、Ly = 2.5cm、 、 、w1 =1.5cm、w2 =0.5cm、d =0.5cm、s =0.65cm、t1=t2 = 20mils。 44

圖4.3 對圖4.1之箭頭形微帶攪動微帶天線的第一模態，在不同剖面下，由Ensemble所得的輻射場型：(a) E-plane，(b) H-plane。其中天線結構參數如圖4.4中的數據，而共振頻率為3.92GHz。 45

圖4.4 對圖4.1之箭頭形微帶攪動微帶天線的第二模態，在不同剖面下，由Ensemble所得的輻射場型：(a) E-plane，(b) H-plane。其中天線結構參數如圖4.4中的數據，而共振頻率為4.97GHz。 46

圖4.5三角形微帶攪動的微帶天線之結構：(a)上視圖，(b)前視圖。 47

圖4.6 對於圖4.5之三角形微帶攪動微帶天線，由Ensemble所得的S11與頻率之關係圖。其中天線結構參數：Lx = 4cm、Ly = 2.5cm、 、 、w1 = 1.5cm、d = 0.5cm、s = 0.65cm、t1=t2 = 20mils。 48

圖4.7 對圖4.5之三角形微帶攪動微帶天線的第一模態，在不同剖面下，由Ensemble所得的輻射場型：(a) E-plane，(b) H-plane。其中天線結構參數如圖4.7中的數據，而共振頻率為4.36GHz。 49

圖4.8 對圖4.5之三角形微帶攪動微帶天線的第二模態，在不同剖面下，由Ensemble所得的輻射場型：(a) E-plane，(b) H-plane。其中天線結構參數如圖4.7中的數據，而共振頻率為5.1GHz。 50

圖4.9 為雙片微帶垂直干擾微帶天線之結構：(a)上視圖，(b)前視圖。 51

圖4.10 對於圖4.9之雙片微帶垂直干擾微帶天線，由Ensemble以及量測所得的Return loss圖。其中天線結構參數：Lx =6cm、Ly =4cm、 、 、 、s =1.4cm、t1 =31mils、t2 =20mils、t3 =1.6mm、b =0.5cm、c =1cm、d =1.5cm。 52

圖4.11 為圖4.9之雙片微帶垂直干擾微帶天線的共振腔中，在y為0.65cm剖面上，由Ensemble所得的三個模態之正規化電場分佈圖。其中結構參數如圖4.10中之數據。 52

圖4.12 對圖4.9之雙片微帶垂直干擾微帶天線的第一模態，在不同剖面上，由Ensemble所得的輻射場型：(a) E-plane，(b) H-plane。其中天線結構參數如圖4.10中的數據，而共振頻率為1.84GHz。 53

圖4.13 對圖4.9之雙片微帶垂直干擾微帶天線的第二模態，在不同剖面上，由Ensemble所得的輻射場型：(a) E-plane，(b) H-plane。其中天線結構參數如圖4.10中的數據，而共振頻率為2.02GHz。 54

圖4.14 對圖4.9之雙片微帶垂直干擾微帶天線的第三模態，在不同剖面上，由Ensemble所得的輻射場型：(a) E-plane，(b) H-plane。其中天線結構參數如圖4.10中的數據，而共振頻率為2.3GHz。 55

圖4.15 對於圖4.9之雙片微帶垂直干擾微帶天線，由Ensemble所得的Return loss圖。其中天線結構參數：Lx =4cm、Ly =3.8cm、 、 、 、s =1.2cm、t1 =31mils、t2 =20mils、t3 =1.6mm、b =0.55cm、c =0.9cm、d =0.55cm。 56

圖4.16 對圖4.9之雙片微帶垂直干擾微帶天線的第一模態，在不同剖面上，由Ensemble所得的輻射場型：(a) E-plane，(b) H-plane。其中天線結構參數如圖4.15中的數據，而共振頻率為1.93GHz。 57

圖4.17 對圖4.9之雙片微帶垂直干擾微帶天線的第二模態，在不同剖面上，由Ensemble所得的輻射場型：(a) E-plane，(b) H-plane。其中天線結構參數如圖4.15中的數據，而共振頻率為2.12GHz。 58

圖4.18 對圖4.9之雙片微帶垂直干擾微帶天線的第三模態，在不同剖面上，由Ensemble所得的輻射場型：(a) E-plane，(b) H-plane。其中天線結構參數如圖4.15中的數據，而共振頻率為2.4GHz。 59



表目錄
表2.1 由理論、實驗及模擬所得之共振頻率表。 10

表3.1 實驗與模擬所得之共振頻率之對照表。 20

表3.2 剖半結構的與單片微帶攪動天線之共振頻率對照表。 20

表3.3 在下層電介質為6.2下，單片微帶攪動與剖半結構之上層電介質對照表。 24

表3.4 對於剖半結構天線，在下層電介質為6.2下，運用經驗公式與近似法所得之上層有效電介質對照表。 24

表3.5 不同的下層電介質與相對應的經驗公式之對照表。 25

表3.6 在上層電介質為2.2下，單片微帶攪動與剖半結構之上層電介質對照表。 26

表3.7對於剖半結構天線，在上層電介質為2.2下，運用經驗公式與近似法所得之上層有效電介質對照表。 26

表3.8 不同的上層電介質與相對應的經驗公式之對照表。 27

表3.9 單片微帶攪動天線的以及剖半結構的共振頻率對照表。 27

表4.1 對於不同的金屬微條帶干擾設計相對應所得的共振頻率值以及相對於矩形頻率間距對照表。天線尺寸分別如圖中3.2、4.3與4.7之數據。 39

表4.2 對於雙片微帶垂直干擾微帶天線，在特定尺寸下，由模擬所得的最低三個模態共振頻率。 41

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