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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:張富霖
研究生(外文):Fu-Lin Chang
論文名稱:利用氧化鋁製作頻率可調雙頻及超寬頻濾波器
論文名稱(外文):The Fabrication of Dual-Band Frequency Adjustable and Ultra Wide-Band filters on 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
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
論文頁數:95
中文關鍵詞:濾波器
外文關鍵詞:filter
相關次數:
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近幾年來,無線通訊快速蓬勃發展,提高操作頻率和降低微波元件尺寸已經成為兩大主要趨勢。由於傳統的FR4基板之介電損耗很大(品質因數Q×f很小),因此並不適合於微波或更高頻率中使用。在微波通訊應用中,陶瓷元件和低溫共燒陶瓷(LTCC)是二種目前主要的方法。
本論文使用氧化鋁(Al2O3)為基板,其微波介電特性為:介電常數r =9.8,品質因數Q×f=300000 GHz,共振頻率溫度漂移係數f = 55 ppm/C。相較於過去所使用的FR4基板微波元件,由於氧化鋁的介電常數和品質因數都比FR4佳,使其能夠適用於微波頻段並顯現出更佳的微波特性。
此論文中製造之頻率可調雙頻及超寬頻濾波器,而濾波器所使用之基板是介電係數約9.8氧化鋁(Al2O3)陶瓷。其陶瓷結構包含一對50Ω之微帶線,其中一個微帶線當成輸入另一個微帶線當成輸出。我們先用IE3D軟體進行模擬,藉由幾何結構之改變,即改變不同的間距、槽孔面積大小以及鋸齒面積大小來改變頻率可調雙頻及超寬頻濾波器之頻寬、中心頻率、插入損、通帶外拒斥等等一些特性。
In recently, there have been rapid developments in wireless communication, however, the increasing of operation frequency and the reducing of the size for microwave devices have been two major trends. Due to the dielectric loss of traditional FR4 substrate is large (the quality value Qf is small), it is not suitable for the application in microwave or higher frequency. Ceramic components or low temperature co-fired ceramics (LTCC) are the major methods for the application in microwave communication.
Aluminum Oxide (Al2O3) is used as the substrates in this paper, and which exhibits the microwave dielectric characteristics of dielectric constant r=9.8, quality value Qf=300000 GHz, and temperature coefficient of resonant frequency f=55 ppm/C. 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.
Dual-band frequency adjustable and ultra wide-band filters with Al2O3 substrate are fabricated and investigated in this paper. The structure of the filters is composed of two microwave striplines, one end is used as the input and the other end is used as the output. The electromagnetic simulation tool (IE3D) is used to simulate the filters, the bandwidth, center frequency, insertion loss, out-of-band rejection of the filters can be controlled by adjusting the interval, the slot and the sawtooth, and dual-band frequency adjustable and ultra wide-band filters are investigated in this paper.
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 緒論 1
1.1研究動機 1
1.2研究目標 1
1.2內容提要 2
第二章 濾波器之理論 4
2.1基本型式 4
2.2響應特性 7
2.3微帶線濾波器 9
2.3.1微帶線基本結構 9
2.3.2微帶線之特性 11
2.3.3微帶線損失 12
2.3.4微帶線設計 13
2.3.5微帶線濾波器種類 15
2.3.6微帶線濾波器設計之相關數學模型 16
2.4微帶線諧振器間之耦合 19
2.4.1電場性耦合 19
2.4.2磁場性耦合 20
2.4.3對稱的電磁場混合性耦合 21
2.4.4反對稱的電磁場混合性耦合 23
2.5微帶線雙頻帶通濾波器之架構 25
2.5.1Tapped-Line帶通濾波器 25
2.5.2平行耦合帶通濾波器 28
2.5.3步階阻抗帶通濾波器 30
2.6超寬頻通訊系統 33
第三章 氧化鋁陶瓷介紹及頻率可調雙頻濾波器 37
3.1氧化鋁陶瓷材料之特性 37
3.1.1技術發展趨勢 39
3.2氧化鋁陶瓷材料之微波特性 39
3.3頻率可調雙頻濾波器 41
3.3.1實驗過程 41
3.3.2型式A濾波器結構與設計 42
3.3.3型式A濾波器實驗結果量測分析 42
3.3.4型式B濾波器結構與設計 49
3.3.5型式B濾波器實驗結果量測分析 49
3.3.6型式C濾波器結構與設計 56
3.3.7型式C濾波器實驗結果量測分析 56
第四章 超寬頻濾波器 64
4.1型式A濾波器結構與設計 64
4.2型式A濾波器實驗結果量測分析 65
4.3型式B濾波器結構與設計 71
4.4型式B濾波器實驗結果量測分析 71

第五章 結論 78
參考文獻 79








表目錄
表2.1常用的雙埠網路ABCD矩陣參數表 18
表2.2超寬頻通訊系統之頻譜範圍 34
表2.3通迅系統之效能比較(範圍10公尺以內) 35
表3.1氧化鋁陶瓷的應用領域 38
表3.2不同成份氧化鋁陶瓷基板特性 38
表3.3微波介電特性 40
表3.4間距距離由窄到寬對濾波器之特性影響 43
表3.5槽孔長度由小到大對濾波器之特性影響 50
表3.6鋸齒寬度由小到大對濾波器之特性影響 58
表4.1固定型式A間距d1改變間距d2距離對濾波器之特性影響 66
表4.2固定型式B間距d1改變間距d2距離對濾波器之特性影響 72






圖目錄
圖2.1 四種基本濾波器型式圖 5
圖2.2 四種實際濾波器之特性圖(a)低通(b)高通(c)帶通(d)帶阻 5
圖2.3 四種實際濾波器通過帶及阻滯帶定義圖(a)低通(b)高通(c)帶通(d)帶阻 6
圖2.4 濾波器常見的重要規格 7
圖2.5 四種低通濾波器之頻率響應圖 8
圖2.6 低通濾波器等效電路圖(a)並聯元件(b)串聯元件 9
圖2.7 微帶線之實體結構圖 10
圖2.8 (a)微帶線之電力線分佈圖(b)微帶線之靜態電容等效模型 10
圖2.9 微帶線等效電容長度及電路 14
圖2.10微帶線等效電感長度及電路 14
圖2.11 微帶線濾波器種類圖 16
圖2.12 雙埠網路圖(a)單級(b)二及串接 17
圖2.13 (a)四分之一波長短路微帶線諧振器上電場強度分佈圖
(b)二分之一波長開路微帶線諧振器上電場強度分佈圖 19
圖2.14 電場性耦合之微帶線諧振器佈局 20
圖2.15 電場性耦合之等效電路 20
圖2.16 (a)四分之一波長短路微帶線諧振器上磁場強度分佈圖
(b)二分之一波長開路微帶線諧振器上磁場強度分佈圖 20
圖2.17 磁場性耦合之微帶線諧振器怖局 21
圖2.18 磁場性耦合之等效電路 21
圖2.19 對稱的電磁場混合性耦合 21
圖2.20 對稱的電磁場混合性耦合之等效電路 22
圖2.21 反對稱的電磁場混合性耦合 23
圖2.22 反對稱的電磁場混合性耦合之等效電路 23
圖2.23 (a)Interdigital帶通濾波器(b)梳子型(Comb-Line)帶通濾波器(c)髮夾型(Hairpin-Line)帶通濾波器 26
圖2.24 (a)髮夾型諧振器的頻率響應之電路(b)髮夾型諧振器之頻率響應 27
圖2.25 (a)微帶線諧振器間實際耦合係數之量測電路(b)微帶線諧振器耦合之頻率響應 28
圖2.26 耦合線段及等效電路 28
圖2.27 耦合線帶通濾波器設計之推導 29
圖2.28 步階阻抗諧振器架構 30
圖2.29 步階阻抗諧振器奇波模等效電路 30
圖2.30 步階阻抗諧振器偶波模等效電路 32
圖2.31 步階阻抗諧振器 對 之關係圖 33
圖3.1 濾波器之製作流程圖 41
圖3.2 型式A濾波器幾何結構圖 42
圖3.3 改變間距距離之返回損失(S11)比較圖 44
圖3.4 改變間距距離之植入損失(S21)比較圖 44
圖3.5 間距距離對主頻頻率(f1)曲線圖 45
圖3.6 間距距離對二倍頻頻率(f2)曲線圖 45
圖3.7 間距距離對主頻頻寬(f1)曲線圖 46
圖3.8 間距距離對二倍頻頻寬(f2)曲線圖 46
圖3.9 間距距離對loss曲線圖 47
圖3.10 間距距離對通帶外拒斥曲線圖 47
圖3.11 型式A濾波器成品圖 48
圖3.12 型式A濾波器模擬與實作之比較圖 48
圖3.13 型式B濾波器幾何結構圖 49
圖3.14 改變槽孔面積之返回損失(S11)比較圖 51
圖3.15 改變槽孔面積之植入損失(S21)比較圖 51
圖3.16 槽孔長度對主頻頻率(f1)曲線圖 52
圖3.17 槽孔長度對二倍頻頻率(f2)曲線圖 52
圖3.18 槽孔長度對主頻頻寬(f1)曲線圖 53
圖3.19 槽孔長度對二倍頻頻寬(f2)曲線圖 53
圖3.20 槽孔長度對loss曲線圖 54
圖3.21 槽孔長度對通帶外拒斥曲線圖 54
圖3.22 型式B濾波器成品圖 55
圖3.23 型式B濾波器模擬與實作之比較圖 55
圖3.24 型式C濾波器幾何結構圖 56
圖3.25 改變鋸齒面積之返回損失(S11)比較圖 58
圖3.26 改變鋸齒面積之植入損失(S21)比較圖 59
圖3.27 鋸齒寬度對主頻頻率(f1)曲線圖 59
圖3.28 鋸齒寬度對二倍頻頻率(f2)曲線圖 60
圖3.29 鋸齒寬度對主頻頻寬(f1)曲線圖 60
圖3.30 鋸齒寬度對二倍頻頻寬(f2)曲線圖 61
圖3.31 鋸齒寬度對loss曲線圖 61
圖3.32 鋸齒寬度對通帶外拒斥曲線圖 62
圖3.33 型式C濾波器成品圖 62
圖3.34 型式C濾波器模擬與實作之比較圖 63
圖4.1 型式A濾波器幾何結構圖 64
圖4.2 型式A濾波器之改變間距距離(d2)之返回損失(S11)比較圖 66
圖4.3 型式A濾波器之改變間距距離(d2)之植入損失(S21)比較圖 67
圖4.4 型式A濾波器間距(d2)對最低頻率曲線圖 67
圖4.5 型式A濾波器間距(d2)對最高頻率曲線圖 68
圖4.6 型式A濾波器間距(d2)對最佳dB值曲線圖 68
圖4.7 型式A濾波器間距(d2)對漣波dB值曲線圖 69
圖4.8 型式A濾波器間距(d2)對頻寬曲線圖 69
圖4.9 型式A濾波器成品圖 70
圖4.10 型式A濾波器模擬與實作之比較圖 70
圖4.11型式B濾波器幾何結構圖 71
圖4.12 型式B濾波器之改變間距距離(d2)之返回損失間距比較圖 73 68
圖4.13型式B濾波器之改變間距距離(d2)之植入損失間距比較圖 73
圖4.14 型式B濾波器間距(d2)對最低頻率曲線圖 74
圖4.15 型式B濾波器間距(d2)對最高頻率曲線圖 74
圖4.16 型式B濾波器間距(d2)對最佳dB值曲線圖 75
圖4.17 型式B濾波器間距(d2)對漣波dB值曲線圖 75
圖4.18 型式B濾波器間距(d2)對頻寬曲線圖 76
圖4.19 型式B濾波器成品圖 76
圖4.20 型式B濾波器模擬與實作之比較圖 77
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