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研究生:黃召翔
研究生(外文):Chao Hsiang Huang
論文名稱:超寬頻微帶天線之設計
論文名稱(外文):Design of Micro-strip UWB antenna
指導教授:林炆標
指導教授(外文):W. P. Lin
學位類別:碩士
校院名稱:長庚大學
系所名稱:電機工程學研究所
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:2009
畢業學年度:97
論文頁數:78
中文關鍵詞:微帶天線超寬頻無線USB帶拒特性
外文關鍵詞:Microstrip antennaultra-wideband (UWB)Wireless USBWireless Local Area Network (WLAN)Band-notch
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本論文研究一新型超寬頻和具有帶拒特性的微帶天線。此天線使
用介電常數為4.4 的玻璃纖維板(FR4),尺寸為30 × 30 mm2。其操
作頻率為3.4 ~ 10.8GHz,阻抗頻寬比約為104%,另外也量測此天線
的輻射場形,當頻率為4GHz 和6GHz 時的XZ 平面和YZ 平面,測
量結果顯示本文研究的天線有趨近於全向性的特徵。而為了和IEEE
802.11a 規範的WLAN 頻段避開。因此在原先被研究出來的超寬頻微
帶天線,設計一個凹槽,使天線具有帶拒特性而帶拒頻率為5.3GHz。
最後將超寬頻微帶天線,架設於超寬頻的無線USB 裝置上,實
際量測當資料傳輸率為53~480Mbps,無線距離為0m~6m,而結果顯
示此天線在較低速傳輸時,封包錯誤率都為零,在高速傳輸也可達到
0.5m 的效能。
This paper proposes a novel ultra-wideband (UWB) and
band-notch microstrip antenna. The proposed antenna size is 30 x 30 mm2
and designed to work on a substrate FR4 and relative permittivity of 4.4.
Experimental results show that the return loss of the proposed antenna is
lower than -10dB from 3.4 to 10.8GHz and the impedance bandwidth is
104%. The radiation patterns within this range are also measured, when
4GHz and 6GHz radiation patterns are omnidirectional in XZ-plane and
YZ-plane. Moreover, the use of a 5.15–5.825 GHz frequency band has
been limited by IEEE 802.11a for a wireless local area network (WLAN)
system. Therefore, the original antenna with a concave slot is proposed to
provide the band notched in the vicinity of 5.3GHz.
Finally, we set up an experimental UWB system using wireless
USB devices. Measured results show that under the free space
transmission distance up to 0 to 6m form 53 to 480 Mbit/s data rates the
packet error rate are 0%.
指導教授推薦書……………………………………………………….....i
口試委員會審定書………………………………………………………ii
授權書………………………………………………………...................iii
致謝……………………………………………………….......................iv
中文摘要……………………………………………………….................v
英文摘要………………………………………………………...............vi
目錄………………………………………………………......................vii
圖目錄………………………………………………………...................ix
表目錄………………………………………………………..................xii
第一章 序論………………………………………………………........1
1.1 研究背景與動機………………………………………………1
1.2 超寬頻介紹……………………………………………………3
1.3 超寬頻特性……………………………………………………5
1.4 論文概要………………………………………...……………….7
第二章 天線基礎原理……………….......……………..………………..8
2.1 天線………………………..………..……...……..……………...8
2.2 傳輸線…………………….………..………………..…………..9
2.2.1 傳輸線理論……………………..…...….…………………9
2.2.2 傳輸線上的電波傳播………………………….….……..11
2.3 傳輸線種類和特性參數………………………………...……..13
2.3.1 同軸電纜傳輸線…………………….…………………...13
2.3.2 夾心帶線…………………………………………………15
2.3.3 微帶線…………………….……………………………...17
vii
2.4 阻抗匹配概念…………………….…………...……………….20
2.4.1 反射係數……………..…………………………………..20
2.4.2 反射損失………………………….……………………...20
2.4.3 駐波比…………….……….……………….....………….21
2.4.4 史密斯圖…………………….…………...………………22
2.5 偶極天線......………….………………………………………..24
2.5.1 鏡像原理………………………..………..……………...27
2.5.2 單極天線………………………………………………29
第三章 無帶拒特性超寬頻微帶天線..………………..……………..32
3.1 概述.........……………………………………..………………...32
3.2 天線設計.....……………………………..……………………...33
3.2.1 輻射體結構………………………………………………33
3.2.2 模擬與實測………………………………………………34
3.3 輻射場型……………………………..………………………...41
3.4 實驗架構……………………………..………………………...45
第四章 帶拒特性超寬頻微帶天線………..…….……………………..47
4.1 概述………………………………..……………….…………47
4.2 天線設計....……………………………..………………………48
4.2.1 凹槽結構……………………………………..………...48
4.2.2 模擬與實測.............................………..…….……………53
4.3 輻射場型…………………………………..…………………...56
4.4 實驗架構………………………………..……………………...59
第五章 結論…………………………………………………………....62
參考文獻………………………………………………………………63
viii
圖目錄
圖1.1 超寬頻室內、室外和FCC Part15 發射功率限制………………...4
圖2.1 一段微量長度傳輸線電壓與電流定義……………….................9
圖2.2 一段微量長度的傳輸線的集總等效電路……………….............9
圖2.3 同軸電纜線的幾何圖形…………………………………….......13
圖2.4 同軸電纜線中的(a) TEM 波;(b) TE11 波的電磁力線分布……13
圖2.5 夾心帶線幾何結構………………...............................................15
圖2.6 夾心帶線電磁力線分布……………….......................................15
圖2.7 微帶天線幾何結構………………...............................................17
圖2.8 微帶傳輸線電磁力線分布………………...................................17
圖2.9 阻抗匹配基本概念圖………………...........................................20
圖2.10 史密斯圖……………….............................................................22
圖2.11 定電阻圓和定電抗圖………………..........................................23
圖2.12 定電導圖和定電納圖……………….........................................23
圖2.13 偶極天線電流分佈圖……………….........................................24
圖2.14 偶極天線之電場輻射圖……………….....................................25
圖2.15 垂直於金屬面之電流源示意圖………………...........................27
圖2.16 垂直於金屬面之電流源等效模型………………......................27
圖2.17 水平行於金屬面之電流源示意圖……………….....................28
圖2.18 水平行於金屬面之電流源等效模型……………….................28
圖2.19 任意方向之電流源示意圖………………..................................29
圖2.20 任意方向於金屬面之電流源等效模型……………….............29
圖2.21 單極天線電流分佈圖………………...........................................30
圖2.22 單極天線示意圖………………..................................................30
ix
圖3.1 比較輻射體為圓形、矩形、三角形和五邊形的反射損失……...33
圖3.2 五邊形結構之超寬頻微帶天線………………………………...34
圖3.3 模擬接地面與輻射體間隙g 之反射損失………………………35
圖3.4 改變饋入線結構之超寬頻微帶天線……………………...……36
圖3.5 模擬饋入線寬度之Wo、Wt 之反射損失………………………36
圖3.6 模擬饋入線寬度Wt 之反射損失……………………………….37
圖3.7 五邊形結合雙半圓之結構圖……………………………….......38
圖3.8 模擬雙半圓半徑R 之反射損失………………………………...38
圖3.9 模擬最佳化後輻射體與接地面間隙g 之反射損失…………...39
圖3.10 最佳化後超寬頻微帶天線之結構圖………………………….40
圖3.11 模擬與實測無帶拒特性超寬頻微帶天線最佳化後之反射損
失………………………………... ………………………………........40
圖3.12 無反射室量測示意圖………………………………………….41
圖3.13 量測無帶拒特性之超寬頻微帶天線4GHz 場形圖………..…42
圖3.14 量測無帶拒特性之超寬頻微帶天線6GHz 場形圖…….……43
圖3.15 模擬無帶拒特性超寬頻微帶天線之增益圖…….……………44
圖3.16 超寬頻WUSB 系統架構………………………………………45
圖3.17 封包錯誤率和無線傳輸距離………………………………...…46
圖4.1 帶拒特性超寬頻天線之倒U 字型凹槽…………………..……48
圖4.2 模擬倒U 字型凹槽總長度變化之反射損失比較…………..…49
圖4.3 帶拒特性超寬頻天線之雙L字型凹槽…………………………50
圖4.4 模擬雙L字型凹槽總長度變化之反射損失比較………………50
圖4.5 模擬兩種凹槽總長度變化之反射損失比較……………...……51
圖4.6 超寬頻具有帶拒特性微帶天線之結構圖…………………...…53
圖4.7 模擬與實測帶拒特性超寬頻微帶天線之反射損失………...…54
x
圖4.8 模擬與實測帶拒特性超寬頻微帶天線之電壓駐波比…...……54
圖4.9 比較模擬與實測無帶拒及有帶拒特性的反射損失…...………55
圖4.10 比較模擬與實測無帶拒及有帶拒特性的電壓駐波比….……55
圖4.11 量測帶拒特性之超寬頻微帶天線4GHz場形圖……..…….…56
圖4.12 量測帶拒特性之超寬頻微帶天線6GHz 場形圖…………..…57
圖4.16 比較模擬無帶拒特性和有帶拒特性超寬頻微帶天線之增益
圖………………………………………………………………………...58
圖4.14 量測帶拒特性超寬頻微帶天線之實驗架構……….…………59
圖4.15 量測兩端均為無帶拒特性超寬頻微帶天線在5.3GHz 的能
量…………………………………………………………………...……59
圖4.16 量測一端無帶拒特性、一端有帶拒特性之超寬頻微帶天線在
5.3GHz 的能量…………………………………………………….……60
圖4.17 量測兩端均為帶拒特性之超寬頻微帶天線在5.3GHz 的能
量……………………………………………………………………...…61
xi
xii
表目錄
表1.1 超寬頻與其他現有無線傳輸比較……………………………….2
表1.2 超寬頻室內、室外和FCC Part15 發射功率限制………………4
表2.1 常用傳輸線特性比較………………………………………..….19
表2.2 反射係數和阻抗匹配對傳送和反射電力影響………………...21
表3.1 超寬頻微帶天線各項參數數值………………...………………40
表4.1 倒U字型和雙L字型凹槽比較…………………………………51
表4.2 帶拒特性超寬頻微帶天線各項參數數值……………………...53
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