近幾年，個人通訊蓬勃發展而且訴求輕、薄、短小，所以在天線的體積設計上要求小型化，輕、薄、短、小、價位低，是現代電子工業對產品的共同需求，因而在各個專業領域衍生各種製程技術，然而在微小積體化過程中，會有一些取捨(trade-off)，可能稍微犧牲某項參數效能，以達到特定的工程目的。天線工程亦是如此，尤其天線的效能受限於本身的物理特性，所以天線微小化製程對其效能影響頗鉅。所以天線工程師在微小化過程中，會面臨到天線增益與頻寬不佳的情況。因此天線增益與頻寬的提昇(Gain and bandwidth enhancement)，成了許多論文發展的核心。雙頻天線，在功能上算是一個小型化的天線，能在不增加天線大小的情況下，產生兩個共振頻率，猶如兩個單頻天線的結合。雙頻天線的發展一直受到相當程度的重視。縱觀雙頻天線的發展，採用的方法不外以Meander-line antenna、PIFA(Planar Inverted F Antennas)及Monopole antenna最常見。
本論文主要是使用模擬軟體Ansoft來探討有關Dual-Band Monopole Microstrip Antenna的各項特性，且利用全波暗室實際測量天線場型。

In recent years, the personal communication products grow vigorously and the current trend is miniaturization product. We know the antenna is a key part on size for wireless communication product so there is many theses focus on how to minimize antenna. But we need to do the trade-off in the cost, performance, easy produced, …etc for miniaturization. For example, the efficiency of antenna is especially limited to its own physical characteristic so the gain and bandwidth of antenna will be impacted due to reduce the size of antenna. Improve the gain and bandwidth has become the core of many antenna theses.
Dual band antenna is a kind of method for antenna miniaturization. It can produce two resonance frequency(s) in one antenna but didn’t increase the size, like the combination of two single band antennas. The development of dual band antenna has been paid attention all the while. In general, Meander-line antenna, PIFA (Planar Inverted F Antennas) and Monopole antenna are the major methods on the dual band antenna design.
This thesis uses the simulation tool, Ansoft, to research the characteristic of Dual-Band Monopole Microstrip Antenna, and utilizes the full-wave anechoic chamber to measure the antenna pattern.

目 錄
摘 要 ii
Abstract iii
誌 謝 iv
第 一 章 緒 論 1
1.1 研究動機 1
1.2 章節概述 4
第二章 天線簡介 5
2.1 天線簡介 5
2.2 天線參數 10
2.2.1 Radiation Pattern 10
2.2.2 Directivity Factor 12
2.2.3 VSWR 13
2.2.4 Antenna Gain: 15
2.2.4 Impedance 16
第 三 章 Monopole Microstrip Antenna之研究 17
3.1 概述 17
3.2 半波長偶極天線 17
3.3 正方形單極天線結構計算 20
3.4 模擬結果與數據 21
3.5 結論 25
第 四 章 縮小化枝幹耦合器設計原理 26
4.1 縮小化枝幹耦合器設計原理 27
4.2 2.4 GHz 枝幹偶合器之設計 33
4.3 2.4 GHz Monopole Microstrip Antenna設計 37
4.4 結論 39
第五章 Compact Monopole Microstrip Antenna設計 40
5.1 概述 40
5.2 天線設計 40
5.3 模擬結果與討論 43
5.3.1 探討GND Plane的影響 49
5.3.2 探討L長短的影響 51
5.4 量測方法及量測數據 54
5.4.1 Antenna Gain Test Setup 54
5.4.2 量測數據 55
5.5 結論 60
參 考 文 獻 62


圖目錄

圖 1.1 無線發射機與接收機系統概要圖 1
圖 2.1 螺旋天線(Helical antenna)結構圖 8
圖 2.2 微帶天線(patch antenna)結構圖 9
圖 2.3 單極天線與曲折型天線結構圖 10
圖 2.4 λ/2 Dipole Antenna 11
圖 2.5 λ/4 Monopole Antenna 12
圖 2.6 Directivity 13
圖 2.7 Equivalent circuit of transmitting antenna 14
圖 2.8 Antenna Gain 16
圖 3.1 半波長偶極天線結構及電流分佈 18
圖 3.2 半波長偶極天線Radiation Pattern 18
圖 3.3 半波長單極天線結構及電流分佈 20
圖 3.4 正方型邊長約為64.7mm，間隙為5mm的單極微帶天線 21
圖 3.5 Return loss 頻率響應圖 22
圖 3.6 天線的輸入阻抗圖 22
圖 3.7 920 MHz H-Plane的輻射場型 23
圖 3.8 1790 MHz H-Plane的輻射場型 23
圖 3.9 920 MHz 3D輻射場型 24
圖 3.10 1790 MHz 3D輻射場型 24
圖 4-1 傳統Branch-Line Coupler 26
圖 4-2 λ/4 Transmission Line and T-Shape Structure Circuit 27
圖 4-3 及 的關係圖;When 31
圖 4-4 及 的關係圖; When 32
圖 4-5 及 的關係圖; When 32
圖 4-6 等效於 1/4波長傳輸線的T-Shape 34
圖 4-7 等效於 1/4波長傳輸線的T-Shape 34
圖 4-8 非對稱型枝幹偶合器 35
圖 4-9 最佳化後的非對稱型枝幹偶合器 36
圖 4-10 最佳化後的非對稱型枝幹偶合器模擬結果 36
圖 4.11 Ansoft HFSS模擬圖 37
圖 4.12 天線尺寸架構圖 38
圖 4.13 Input Return loss 頻率響應圖 38
圖 5.2 920MHz的Compact Monopole Microstrip Antenna尺寸圖 42
圖 5.3 700 MHz的Compact Monopole Microstrip Antenna尺寸圖 42
圖 5.4 720MHz Ansoft 模擬圖檔 43
圖 5.5 920MHz的Compact Monopole Microstrip Antenna Return loss 頻率響應圖 43
圖 5.6 920MHz的Compact Monopole Microstrip Antenna的輸入阻抗圖 44
圖 5.7 920MHz的Compact Monopole Microstrip Antenna Low Band 3D輻射場型 44
圖 5.8 920MHz的Compact Monopole Microstrip Antenna High Band 3D輻射場型 45
圖 5.9 920MHz的Compact Monopole Microstrip Antenna的Low Band H-Cut場型 45
圖 5.10 920MHz的Compact Monopole Microstrip Antenna的High Band H-Cut場型 46
圖 5.11 720MHz的Compact Monopole Microstrip Antenna Return loss 頻率響應圖 46
圖 5.12 720 MHz的Compact Monopole Microstrip Antenna的輸入阻抗圖 47
圖 5.13 720MHz的Compact Monopole Microstrip Antenna Low band 3D輻射場型 47
圖 5.14 720MHz的Compact Monopole Microstrip Antenna High Band 3D輻射場型 48
圖 5.15 720MHz的Compact Monopole Microstrip Antenna的Low Band H-Cut場型 48
圖 5.16 720MHz的Compact Monopole Microstrip Antenna的High Band H-Cut場型 49
圖 5.17 GND Plane=70、80、90 mm Compact Monopole Microstrip Antenna Return loss 頻率響應圖 50
圖 5.18 GND Plane=70、80、90 mm Compact Monopole Microstrip Antenna的Low Band H-Cut場型 50
圖 5.19 GND Plane=70、80、90 mm Compact Monopole Microstrip Antenna的Low Band H-Cut場型 51
圖 5.20 L=3、4、5 mm 模擬圖檔 52
圖 5.21 L=3、4、5 mm Compact Monopole Microstrip Antenna Return loss 頻率響應圖 52
圖 5.22 L=3、4、5 mm Compact Monopole Microstrip Antenna的Low Band H-Cut場型 53
圖 5.23 L=3、4、5 mm Compact Monopole Microstrip Antenna的High Band H-Cut場型 53
圖 5.24 Antenna Gain Test Setup 54
圖 5.25 GND=70 mm Compact Monopole Microstrip Antenna Return loss 頻率響應圖 55
圖 5.26 GND=80 mm Compact Monopole Microstrip Antenna Return loss 頻率響應圖 55
圖 5.27 GND=90 mm Compact Monopole Microstrip Antenna Return loss 頻率響應圖 56
圖 5.28 GND=70、80、90 mm Compact Monopole Microstrip Antenna Return loss 頻率響應圖 56
圖 5.29 GND Plane=70、80、90 mm Compact Monopole Microstrip Antenna的880 MHz H-Cut場型 57
圖 5.30 GND Plane=70、80、90 mm Compact Monopole Microstrip Antenna的920 MHz H-Cut場型 57
圖 5.31 GND Plane=70、80、90 mm Compact Monopole Microstrip Antenna的960 MHz H-Cut場型 58
圖 5.32 GND Plane=70、80、90 mm Compact Monopole Microstrip Antenna的1710 MHz H-Cut場型 58
圖 5.33 GND Plane=70、80、90 mm Compact Monopole Microstrip Antenna的1790 MHz H-Cut場型 59
圖 5.34 GND Plane=70、80、90 mm Compact Monopole Microstrip Antenna的1880 MHz H-Cut場型 59
圖 5.35 GND Plane=70、80、90 mm Compact Monopole Microstrip Antenna Gain 60

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