臺灣博碩士論文加值系統

本論文利用簡單的理念設計具雙頻操作功能且共平面結構的微帶天線。其中的作法是將原本的矩形結構彎折成Z字形狀，PMC面上的磁流就可貢獻相同極化方向的輻射電場，進而天線原本單一模態操作的限制就可突破。而除了利用理論、模擬及實測的數據證實設計理念之外，結構尺寸的改變之探討用來掌握天線之共振頻率與輻射之特性。
對於Z形天線的特性，理論與模擬所得之共振腔內對稱縱軸上的電場是比原來的半cos更加劇烈的分佈，而對稱橫軸上的電場仍維持半個cos分佈皆與設計理念相呼應，而模擬所得之兩個具有單波束輻射的模態也證實此天線確實具有雙頻效果。而結構尺寸參數對特性影響之探討顯示對稱橫軸的長度可大幅調整兩頻率的間距，而Z型支腳粗細更有助於頻率間距與輻射的微調。另外，不對稱的微帶結構可增加天線的設計彈性，而這些資訊不只制訂了設計天線時所依循的流程，也提升了設計的時效。
就分析方式而言，本文利用共振腔模式將Z形結構分成三個區間，電磁場表示式得以簡化，在交接面上的電磁波特性之關係的利用與Moment Method的搭配也有效處理掌握天線之共振頻率與電磁波在共振腔內的運作方式。而理論的數據與模擬以及實驗吻合的結果除了證明設計理念的正確性外，也證實模擬方式所得之可信的結果就可用來探討Z型天線之特性。
本文所提出的理念非常直接明瞭，而所設計的Z型天線之結構簡單且有利於與其他共平面元件的整合。而經過適當調整結構參數的天線確實可應用於兩個特定的商用頻帶，所以流程設計也可套用於其他任意頻帶之應用，因此這個設計理念具高度的實用價值。

This thesis uses a simple concept to design a coplanar microstrip antenna for dual band operation. When the microstrip patch is reshaped into a Z, the magnetic current on PMC can contribute the radiation with the same polarization, thus antenna can operate at dual bands. And the design concept is confirmed by theoretical results, simulation and experiment, the characteristics of antenna can be obtained by investigation on parameter variations.
As the characteristics of Z-shape microstrip antenna, result shows that the distribution of electric field along the longitudinal axis is more intensive than original cosine with half wavelength. In contrast, the distribution along transversal axis still remains half wavelength. These results are consistent with the design concept, and the single-beam radiations of two modes by simulation also verify that this antenna has dual band operation. According to the result of investigation on parameter variations, the length along transversal axis can adjust the frequency spacing substantially, and the legs widths can minorly adjust this spacing. In addition, asymmetric structure of antenna can offer higher design freedom. This information does not only establish the design procedure but also enhance the efficiency.
As the analysis method, this thesis uses the cavity mode to divide Z-shape microstrip antenna into three rectangular regions, thus electromagnetic expression can be simplified. And analysis procedure is done by solving the boundary conditions and continuity of the electromagnetic fields and using the process of with moment method. Therefore, characteristics of electromagnetic waves in this antenna and resonant frequency are investigated. Theoretical, simulated and experimental results are similar with each other, these results also confirm design concept and verify simulation. In other word, the investigation on parameter variations by simulation is reliable.
This design concept is simple and straightforward, and Z-shape microstrip antenna is coplanar which is beneficial for integration with other components. This antenna can be used in two specific commercial bands after parameters adjustment, so the design procedure can be also eligible for other bands. Therefore, this design is practical with values.

摘要 i
英文摘要 ii
致謝 iii
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 設計理念與分析方式 2
1-3 論文架構 4
第二章 具雙頻操作的T型微帶天線之分析 5
2-1 T型微帶天線之分析過程 5
2-2 不同尺寸的T型微帶天線之比較 8
2-3 結論 9
第三章 具雙頻操作的Z型微帶天線 22
3-1 Z型微帶天線電場之推導 22
3-2 Z型微帶天線特性之探討 31
3-3 結論 32
第四章 Z型微帶天線之特性探討與特定頻帶之應用的設計 43
4-1 對稱橫軸長度改變之影響 43
4-2 兩個對稱支腳粗細之影響 44
4-3 支腳粗細彼此不同時之影響 45
4-4 支腳粗細彼此不同時對於對稱橫軸適用範圍之影響 46
4-5 特定頻帶之應用的設計 47
4-6 結論 48
第五章 總結與討論 65
參考文獻 67

圖目錄

圖2.1 T型微帶天線結構：(a)結構立體圖，(b)上視圖。 10
圖2.2 T型微帶天線之共振腔示意圖。 11
圖2.3 不同尺寸之T型微帶天線：(a)長T型天線上視圖，(b)短T型天線上視圖。 12
圖2.4 對於長T型微帶天線的第一模態，在不同橫剖面上，由理論與模擬所得之電場分佈圖 : (a) y=c/2 ，(b) y=c+d/2 。而天線結構參數如圖2.3(a)之數據。 14
圖2.5 對於長T型微帶天線的第二模態，在不同橫剖面上，由理論與模擬所得之電場分佈圖 : (a) y=c/2 ，(b) y=c+d/2 。而天線結構參數如圖2.3(a)之數據。 15
圖2.6 對於短T型微帶天線的第一模態，在不同橫剖面上，由理論與模擬所得之電場分佈圖 : (a) y=c/2 ，(b) y=c+d/2 。而天線結構參數如圖2.3(b)之數據。 16
圖2.7 對於短T型微帶天線的第二模態，在不同橫剖面上，由理論與模擬所得之電場分佈圖 : (a) y=c/2 ，(b) y=c+d/2 。而天線結構參數如圖2.3(b)之數據。 17
圖2.8 對於長T型微帶天線的第一模態，由理論與模擬所得之輻射場型:(a)E-plane，(b)H-plane。而天線結構參數如圖2.3(a)之數據。 18
圖2.9 對於長T型微帶天線的第二模態，由理論與模擬所得之輻射場型:(a)E-plane，(b)H-plane。而天線結構參數如圖2.3(a)之數據。 19
圖2.10 對於短T型微帶天線的第一模態，由理論與模擬所得之輻射場型:(a)E-plane，(b)H-plane。而天線結構參數如圖2.3(b)之數據。 20
圖2.11 對於短T型微帶天線的第二模態，由理論與模擬所得之輻射場型:(a)E-plane，(b)H-plane。而天線結構參數如圖2.3(b)之數據。 21
圖3.1 Z型微帶天線結構：(a)結構立體圖，(b)上視圖。 34
圖3.2 Z型微帶天線之共振腔示意圖。 35
圖3.3 對圖3.1之Z型微帶天線，在第一模態下，由理論所得之兩交接面處上的磁場分佈圖 : (a)y=b+c ，(b)y=c 。其中天線結構參數為 : a=1cm ，b=4cm ，c=1cm ，d=1.5cm ，e=3cm ，f=1.5cm ， t=20mils 。 36
圖3.4 對圖3.1之Z型微帶天線，在第二模態下，由理論所得之兩交接面處上的磁場分佈圖 : (a) y=b+c，(b)y=c 。而天線的結構尺寸如圖3.3中的數據。 37
圖3.5 對圖3.1之Z型微帶天線，虛線部分為決定天線之共振頻率的兩段路徑A與B。 38
圖3.6 對圖3.1之Z型微帶天線的第一模態而言，由理論與模擬所得之長路徑B上的電場分佈圖。而天線的結構尺寸如圖3.3中的數據。 39
圖3.7 對圖3.1之Z型微帶天線的第二模態而言，由理論與模擬所得之長路徑A上的電場分佈圖。而天線的結構尺寸如圖3.3中的數據。 40
圖3.8 對圖3.1之Z型微帶天線，在不同剖面上，由模擬所得之第一頻模態的輻射場型 : (a)E-plane，(b)H-plane。而天線的結構尺寸如圖3.3中的數據。 41
圖3.9 對圖3.1之Z型微帶天線，在不同剖面上，由模擬所得之第二頻模態的輻射場型 : (a)E-plane，(b)H-plane。而天線的結構尺寸如圖3.3中的數據。 42
圖4.1 對圖3.1之Z型微帶天線，由模擬所得之共振頻率與對稱橫軸長度的關係圖。其中橫軸代表對稱橫軸的長度與橫向全長的百分比，而天線結構參數分別為 : a=1cm ，b=4cm ，c=1cm ，t=20mils 。 49
圖4.2 對圖3.1之Z型微帶天線，在不同剖面上，由模擬所得之輻射co-pol.與cross-pol.峰值差距和對稱橫軸長度之關係圖 : (a)E-plane，(b)H-plane。其中結構參數如圖4.1中之數據。 50
圖4.3 對圖3.1之Z型微帶天線，由模擬所得之共振頻率與兩個支腳粗細的關係圖。其中橫軸代表兩支腳的粗細與縱向全長的百分比，而天線結構參數分別為 : d=1.5cm，e=3cm ，f=1.5cm ，t=20mils 。 51
圖4.4 對圖3.1之Z型微帶天線，在不同剖面上，由模擬所得之輻射co-pol.與cross-pol.峰值差距和兩支腳粗細之關係圖 : (a)E-plane，(b)H-plane。其中結構參數如圖4.3中之數據。 52
圖4.5 對圖3.1之Z型微帶天線，在不同剖面上，由模擬所得之第二頻模態的輻射場型 : (a)E-plane，(b)H-plane。而天線的結構尺寸為 : a=2cm ，b=2cm ，c=2cm ，d=1.5cm ，e=3cm ，f=1.5cm
t=20mils 。 53
圖4.6 對圖3.1之Z型微帶天線，由模擬所得之共振頻率與單一支腳粗細的關係圖。其中橫軸代表支腳的粗細與縱向全長的百分比，而天線結構參數分別為 : a=1cm ，d=1.5cm ，e=3cm ，f=1.5cm ，t=20mils 。 54
圖4.7 對圖3.1之Z型微帶天線，在不同剖面上，由模擬所得之輻射co-pol.與cross-pol.峰值差距和支腳粗細之關係圖 : (a)E-plane，(b)H-plane。其中結構參數如圖4.6中之數據。 55
圖4.8 對圖3.1之Z型微帶天線，由模擬所得之共振頻率與對稱橫軸長度的關係圖。其中橫軸代表對稱橫軸的長度與橫向全長的百分比，而天線結構參數分別為 : a=1cm ，b=4.4cm ，c=0.6cm ，t=20mils 。 56
圖4.9 對圖3.1之Z型微帶天線，在不同剖面上，由模擬所得之輻射co-pol.與cross-pol.峰值差距和支腳粗細之關係圖 : (a)E-plane，(b)H-plane。其中結構參數如圖4.8中之數據。 57
圖4.10 對圖3.1之Z型微帶天線，由模擬所得之共振頻率與對稱橫軸長度的關係圖。其中橫軸代表對稱橫軸的長度與橫向全長的百分比，而天線結構參數分別為 : a=1cm ，b=4.8cm ，c=0.2cm ，t=20mils 。 58
圖4.11 對圖3.1之Z型微帶天線，在不同剖面上，由模擬所得之輻射co-pol.與cross-pol.峰值差距和支腳粗細之關係圖 : (a)E-plane，(b)H-plane。其中結構參數如圖4.10中之數據。 59
圖4.12 對於支腳粗細不同之非對稱Z型天線，實驗時所用的天線照片 : (a) c=0.6cm (b) c=0.2cm 。其它的結構參數分別為 : a=1cm ，d=1.5cm ，e=3cm ，f=1.5cm ，t=20mils 。 60
圖4.13 對圖3.1之Z型微帶天線，由模擬所得之Return loss數據圖。其中天線結構參數分別為 : a=1cm ，b=4.9cm，c=0.1cm，d=1.7cm，e=1.6cm ，f=1.7cm ，t=20mils ，饋入位置在(0.3，3.5)。 62
圖4.14 對圖3.1之Z型微帶天線，在不同剖面上，由模擬所得之第一頻模態的輻射場型 : (a)E-plane，(b)H-plane。而天線的結構參數如圖4.13中之數據。 63
圖4.15 對圖3.1之Z型微帶天線，在不同剖面上，由模擬所得之第二頻模態的輻射場型 : (a)E-plane，(b)H-plane。而天線的結構參數如圖4.13中之數據。 64

 
表目錄

表2.1 由理論及模擬所得之長T型天線共振頻率，結構尺寸圖2.3(a)中之數據。 13
表2.2 由理論及模擬所得之短T型天線共振頻率結構尺寸圖2.3(b)中之數據。 13
表3.1 由理論、模擬與實驗所得之共振頻率表 31
表4.1 對於支腳較粗的Z型微帶天線由模擬及實驗所得之共振頻率表，其中天線的結構參數如圖4.12(a) 61
表4.2 由模擬及實驗所得之共振頻率表，其中天線的結構參數如圖4.12(b) 61

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