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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:謝昌益
研究生(外文):Chang-Yi Hsieh
論文名稱:氧化鋁基板製作寬頻寬天線與雙頻天線
論文名稱(外文):Design and Fabrication Wide-Bandwidth Antenna and Dual-Band Antenna using Al2O3 Substrate
指導教授:鄭建民鄭建民引用關係楊證富楊證富引用關係
指導教授(外文):Chien-Min ChengCheng-Fu Yang
學位類別:碩士
校院名稱:南台科技大學
系所名稱:電子工程系
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2007
畢業學年度:95
語文別:中文
中文關鍵詞:天線
外文關鍵詞:Antenna
相關次數:
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本論文研究使用氧化鋁(Al2O3)為微波元件之基板,其微波介電特性為:介電常數r = 9.8,品質因數Q × f = 300000 GHz。相較於過去所使用的FR4基板作為微波元件還來的佳,由於氧化鋁的介電常數和品質因數都比FR4為佳,使其能夠適用於微波頻段並顯現出更佳的微波特性。
本研究將試著在微波介電共振(Dielectric Resonator)陶瓷上去製造一種形狀簡單、–10 dB寬頻寬且適用於微波頻帶的陶瓷微帶平面天線(Patch Antenna)。微帶平面天線所使用之基板是介電係數為9.8的氧化鋁陶瓷基板。此研究中製造之微帶平面天線其結構陶瓷一邊當作接地板,其方法為直接在上面網印金屬(金或銀)。平面天線包含一50 Ω之微帶線,及一個可發射信號的正方形結構,而為了確認天線之效果,我們先用HFSS軟體進行模擬。藉由幾何結構之大小,其中以額外加入之突出段(stub)最為重要,以及微帶線饋入正方形結構的深度,如此可控制微帶平面天線的共振頻率、–10 dB頻寬及天線特性。
Aluminum Oxide (Al2O3) is used as the antenna substrates of the microwave devices in this research, and which exhibits the microwave dielectric characteristics of dielectric constant r = 9.8, quality value Q × f = 300000 GHz. Comparing to the microwave devices which used the FR4 substrate in the past, the dielectric constant and quality factor of Al2O3 are better than FR4 substrate. Therefore, it is suitable for the application of microwave devices and reveals better microwave characteristics.
In this study, we are trying to fabricate a microwave patch antenna with simple morphology and high –10 dB bandwidth on a microwave dielectric resonator. The microwave dielectric of Al2O3 with r = 9.8 is used as the substrate. One side of the Al2O3 substrate is used as ground panel, and that can be achieved by the mask of Au or Ag. The patch side has a 50  microstrip line and a square patch, which will radiate the signal, the microwave simulation software of HFSS is used to proceed the simulation process. We find that the resonant frequency and the –10 dB bandwidth can be controlled by the feeding depth of microstrip line and the length of stub.
目  次
摘要 i
英文摘要 ii
致謝 iii
目次 iv
表目錄 vii
圖目錄 viii
第一章 序論 1
1.1前言 1
1.2研究動機 1
1.3內容提要 2
第二章 基板介紹與天線基本理論 4
2.1陶瓷基板材料 4
2.1.1氧化鋁基板介紹 4
2.1.2陶瓷產品及應用 6
2.2傳輸線原理 7
2.2.1傳輸線的電路模型及參數 8
2.2.2傳輸線上的電波傳播 9
2.2.3無損傳輸線 10
2.2.4有載的無損傳輸線 12
2.2.5 Smith Chart 15
2.2.6阻抗與導納合併的史密斯圖 19
2.3微帶線及其特性 20
2.4微波網路分析 22
2.4.1阻抗(Z)與導納(Y)矩陣 22
2.4.2散射係數(Scattering Parameter;S參數)矩陣 24
2.4.3參考平面的移動 26
2.4.4傳輸(ABCD)矩陣 27
2.5網路分析儀 31
2.5.1校正原理 31
2.5.2單埠(1-Port)的量測誤差原因及校正 32
2.5.3雙埠(Full 2-Port)的量測誤差原因及校正 32
第三章 平面式矩形微帶天線設計研究 34
3.1概述 34
3.2天線製作流程 34
3.3平面式矩形微帶天線 37
3.3.1型式A天線結構與設計 38
3.3.2型式A天線實驗結果量測分析 38
3.3.3型式B天線結構與設計 43
3.3.4型式B天線實驗結果量測分析 44
3.3.5型式C天線結構與設計 49
3.3.6型式C天線實驗結果量測分析 50
3.3.7型式D天線結構與設計 55
3.3.8型式D天線實驗結果量測分析 56
第四章 平面式矩形槽孔天線設計研究 62
4.1概述 62
4.2平面式矩形槽孔天線 62
4.2.1型式A天線結構與設計 63
4.2.2型式A天線實驗結果量測分析 64
4.2.3型式B天線結構與設計 68
4.2.4型式B天線實驗結果量測分析 69
4.2.5型式C天線結構與設計 76
4.2.6型式C天線實驗結果量測分析 77
第五章 結論 85
參考文獻 87






表目錄
表2.1微波介電特性 6
表2.2三種常見的傳輸線參數表 12
表2.3常用的雙埠網路ABCD參數表 29
表2.4雙埠網路參數之間的轉換表 30
表3.1金屬面長度(L2)改變,傳輸線長度(L3)為12.2 mm 39
表3.2傳輸線長度(L3)改變,金屬面長寬為10 mm  12 mm 40
表3.3金屬面長度(L2)改變,傳輸線長度(L3)為12.2 mm 45
表3.4傳輸線長度(L3)改變,金屬面長寬為10 mm  12 mm 46
表3.5金屬面長度(L2)改變,傳輸線長度(L4)為17.2 mm 51
表3.6傳輸線長度(L4)改變,金屬面長寬為10 mm  6 mm和2 mm  6 mm 52
表3.7金屬面長度(L2)改變,傳輸線長度(L3)為17.7 mm 57
表3.8傳輸線長度(L3)改變,金屬面長寬為10 mm  12 mm 58
表4.1傳輸線長度(L3)改變,金屬面長寬固定 65
表4.2傳輸線長度(L3)改變,倒S形金屬面長度(L4)為10 mm 70
表4.3倒S形金屬面長度(L4)改變,傳輸線長度(L3)為19.9 mm 71
表4.4傳輸線長度(L3)改變,倒S形金屬面長度(L4)為10 mm 78
表4.5倒S形金屬面長度(L4)改變,傳輸線長度(L3)為19.9 mm 79
表5.1平面式矩形微帶天線之變化趨勢 86
表5.2平面式矩形槽孔天線之變化趨勢 86

圖目錄
圖2.1 陶瓷產品之應用 7
圖2.2 一段微量長度傳輸線等效電路與其電壓、電流的定義(a)電壓與電流的定義
(b)集總等效電路 8
圖2.3 末端負載為阻抗ZL的傳輸線 13
圖2.4 史密斯圖(Smith Chart) 16
圖2.5 阻抗與導納合併史密斯圖(YZ-chart) 20
圖2.6 微帶傳輸線(a)幾何結構 (b)電力線分析 21
圖2.7 以[Z]、[Y]或[S]表示的雙埠網路 22
圖2.8 S參數 26
圖2.9 雙埠網路參考平面的移動 26
圖2.10 兩串接的雙埠網路 28
圖2.11 網路分析儀 31
圖3.1 天線製作流程圖 35
圖3.2 天線網版 35
圖3.3 網印機 36
圖3.4 1200 C高溫爐 36
圖3.5 CAMBER室(a)CAMBER室內部(b)接收天線位置(c)發射(待測)天線位置
37
圖3.6 型式A天線幾何結構圖 38
圖3.7 金屬面長度(L2)改變,傳輸線長度(L3)為12.2 mm之天線特性比較圖 40
圖3.8 傳輸線長度(L3)改變,金屬面長寬為10 mm  12 mm之天線特性比較圖
41
圖3.9 型式A天線成品圖 41
圖3.10 型式A天線模擬與實作之比較圖 42
圖3.11 在3.83 GHz時所量測之輻射場型(x-y plane及y-z plane) 43
圖3.12 操作頻帶內所量測之型式A天線增益 43
圖3.13 型式B天線幾何結構圖 44
圖3.14 金屬面長度(L2)改變,傳輸線長度(L3)為12.2 mm之天線特性比較圖 45
圖3.15 傳輸線長度(L3)改變,金屬面長寬為10 mm  12 mm之天線特性比較圖
46
圖3.16 型式B天線成品圖 47
圖3.17 型式B天線模擬與實作之比較圖 47
圖3.18 在3.6 GHz時所量測之輻射場型(x-y plane及y-z plane) 48
圖3.19 操作頻帶內所量測之型式B天線增益 49
圖3.20 型式C天線幾何結構圖 50
圖3.21 金屬面長度(L2)改變,傳輸線長度(L4)為17.2 mm之天線特性比較圖 51
圖3.22 傳輸線長度(L4)改變,金屬面長寬為10 mm  6 mm和2 mm  6 mm之天
線特性比較圖 52
圖3.23 型式C天線成品圖 53
圖3.24 型式C天線模擬與實作之比較圖 53
圖3.25 在2.45 GHz時所量測之輻射場型(x-y plane及y-z plane) 54
圖3.26 操作頻帶內所量測之型式C天線增益 55
圖3.27 型式D天線幾何結構圖 56
圖3.28 金屬面長度(L2)改變,傳輸線長度(L3)為17.7 mm之天線特性比較圖 57
圖3.29 傳輸線長度(L3)改變,金屬面長寬為10 mm  12 mm之天線特性比較圖
58
圖3.30 型式D天線成品圖 59
圖3.31 型式D天線模擬與實作之比較圖 59
圖3.32 在2.47 GHz時所量測之輻射場型(x-y plane及y-z plane) 60 68
圖3.33 操作頻帶內所量測之型式D天線增益 61
圖4.1 型式A天線幾何結構圖 64
圖4.2 傳輸線長度(L3)改變,金屬面長寬固定之天線特性比較圖 65
圖4.3 型式A天線成品圖 66
圖4.4 型式A天線模擬與實作之比較圖 66
圖4.5 在3.1 GHz時所量測之輻射場型(x-y plane及y-z plane) 67
圖4.6 操作頻帶內所量測之型式A天線增益 68
圖4.7 型式B天線幾何結構圖 69
圖4.8 傳輸線長度(L3)改變,倒S形金屬面長度(L4)為10 mm之天線特性比較圖
71
圖4.9 倒S形金屬面長度(L4)改變,傳輸線長度(L3)為19.9 mm之天線特性比較圖 72
圖4.10 型式B天線成品圖 72
圖4.11 型式B天線模擬與實作之比較圖 73
圖4.12 (a)在3.2 GHz時所量測之輻射場型 (b)在5.475 GHz時所量測之輻射場型
(x-y plane及y-z plane) 75
圖4.13 (a)低頻段 (b)高頻段操作頻帶內所量測之型式B天線增益 76
圖4.14 型式C天線幾何結構圖 77
圖4.15 傳輸線長度(L3)改變,倒S形金屬面長度(L4)為10 mm之天線特性比較圖
79
圖4.16 倒S形金屬面長度(L4)改變,傳輸線長度(L3)為19.9 mm之天線特性比較圖 80
圖4.17 型式C天線成品圖 80
圖4.18 型式C天線模擬與實作之比較圖 81
圖4.19 (a)在3.225 GHz時所量測之輻射場型 (b)在5.425 GHz時所量測之輻射場型
(x-y plane及y-z plane) 83
圖4.20 (a)低頻段 (b)高頻段操作頻帶內所量測之型式C天線增益 84
參考文獻
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