臺灣博碩士論文加值系統

摘要
近年來電磁帶隙結構研究紛紛被提出，不僅是架構的設計與特性探討，應用的研究更是一個熱門的焦點，例如利用電磁帶隙結構增加天線的效能，提高其指向性，抑制背向輻射，抑制微波頻段電路間之互相耦合效應等…。本論文所研究的電磁帶隙結構，能夠容易應用在標準的印刷式電路板當中，經由設計與製作於標準的玻璃纖維板中，所設計的架構的截止頻帶分別為1.36~1.79GHz、2.36~2.52 GHz 、2.49~2.89GHz、2.8~3.9GH及5.08~6.32GHz，可以應用在WiMAX，GPS，WLAN等商用頻段。
本論文提出的電磁帶隙結構能夠降低貼片天線互相耦合的效應，當電磁帶隙結構經過適當的設計後，能夠明顯的抑制表面波的傳遞，量測方面在1.72GHz有降低耦合11dB之改善。
最後並設計一新式頻率選擇面做為一單極天線之反射板，對應於天線操作頻帶匹配的能隙帶，利用電磁帶係結構於截止頻帶反射係數相位為0°的特性，其在反射板所產生同向之映向電流，以提高天線效能,增加頻寬及增益並縮小天線尺寸經由量測結果整體效率可以提升22.2％、增益提升1.94dBi、縮小尺寸23％及增加頻寬520Hz。
關鍵字：電磁帶隙結構

Abstract
In recent years the electromagnetic band gap structure research in abundance was proposed , not only design construction and discuss the characteristic, research is of the application is a popular point, for example, in order to improve the antenna performance,increase its directivity , reduce the back radiation ,suppression the coupling effect for the electric circuit of microwave frequency band and so on…The present paper studies the electromagnetic band gap structure, can apply in the middle of the standard printing type electric circuit board easily, by way of the design and the manufacture in the standard glass fiberboard, the design of construction closure frequency band is 1.36~1.79GHz,2.36~2.52GHz 2.49~2.89GHz 2.8~3.9GHz and 5.08~6.32GHz, may apply in WiMAX ,GPS,WLAN and so on the commercial frequency band.
The present paper proposed the electromagnetic band gap structure can reduce the effect of patch antenna mutually coupling, when the electromagnetic band gap structure is to agree with designing , it can the obvious suppression surface wave transmission ,in the 1.72GHz can reduces the mutual coupling 11dB in measurement.
Finally , design a new type of frequency selective surface be a plate of the monopole antenna, to identify with the antenna operating frequency band to match the energy gap, The use of in the cut-off frequency of 0 ° phase of the reflection coefficient characteristics, and its bottom currents generated by the mirror (image current) and the antenna current with the phase, in order to improve the antenna performance and inhibit the substrate material surface wave generation .It can increase bandwidth and reduces the antenna size to be possible to promote 22.2%, the gain can promote 1.94dBi,reduce size 23% and increase bandwidth 520Hz.

Key words: Electromagnetic band gap structure

目錄
摘 要 I
Abstract II
目錄 III
圖目錄 VI
表目錄 XIII
第一章 緒論
1.1 研究動機 1
1.2 章節概述 5
第二章 電磁帶隙結構分析
2.1 概論 6
2.2 週期性結構理論 9
2.3 電磁帶隙結構分析 10
2.4 頻率選擇面概述 11
2.5 利用Floquet’s Theorem分析電磁波在週期性結構的行為 16
2.6電磁帶隙結構設計原理 20
第三章 電磁帶隙構設計
3.1電磁帶隙結構概述 25
3.2 蘑菇狀電磁帶隙結構設計 28
3.2-1傳統蘑菇狀電磁帶隙結構設計之方程式及原理 28
3.2-2傳統蘑菇狀電磁帶隙結構設計 33
3.3新式蘑菇狀電磁帶隙性結構設計 38
3.3-1設計概念 39
3.3-2結構(1)設計 39
3.3-3結構(2)設計 42
3.3-4新式蘑菇狀電磁帶隙結構設計<結構(1)加結構(2)> 46
3.3-5新式電磁帶隙結構陣列大小及順序改變對截止帶影響 50
3.4傳統蘑菇狀電磁帶隙結構之探討 57
3.5新式緊密型電磁帶隙結構 69
3.6新式頻率選擇面之設計 73
第四章 電磁帶隙結構之應用
4.1 概述 77
4.2 微帶天線概述 80
4.3 傳統矩形微帶天線設計 84
4.4 電磁帶隙結構應用於降低貼片天線互之耦合效應 84
4.5 單極微帶天線設計 99
4.6電磁帶隙結構作為反射板應用於單極天線設計 103
第五章 結論 111
參考文獻 114

圖目錄
圖1.1 超穎材料示意圖 3
圖1.2 金屬高阻抗平面示意圖 (a)橫截面(b)俯視面 4
圖2.1布拉格散射原理說明圖 7
圖2.2 週期性結構幾何示意圖(a)一維結構 (b)二維結構 (c)三維結構
　 9
圖2.3 (a)無限長金屬條等效電路 (b)產生LC共振之週期性排列等效電
　　 路圖 11
圖2.4(a)無介電質疊接頻率選擇面(b)等厚度介電質中夾頻率選擇面 14
圖2.5 (a)偶極(Dipole)型式 (b)槽孔(Slot)型式 14
圖2.6 週期性結構示意圖 16
圖2.7理想傳輸線的模型 18
圖2.8理想傳輸線的等效電路 18
圖2.9 週期性結構的等效電路 19
圖2.10Mushroom-like EBG示意圖 20
圖2.11表面波的傳輸線等效模型 21
圖2.11平面波入射傳輸線等效模型 22
圖3.1 常見的電磁能隙結構 (a) AI-EBG (b)Slit-EBG (c)UC-EBG
(d)L-bridge EBG 27
圖3.2基本單元與結構元素 29
圖3.3蘑菇狀結構(Mushroom-like structure)剖面圖 34
圖3.4 類三明治疊接測試法圖 34
圖3.5 (a)磨菇狀電磁帶隙結構金屬貼片(Metallic Patch)俯視圖
(b)磨菇狀電磁帶隙結構類三明治疊接測試法剖面圖 36
圖3.6 傳統蘑菇狀5X5陣列俯視圖 37
圖3.7 傳統蘑菇狀電磁帶隙結構傳輸係數模擬 37
圖3.8結構(1)幾何圖形 39
圖3.9結構(1) 5X5模擬陣列圖 40
圖3.10 結構(1)5X5陣列傳輸係數模擬 41
圖3.11 結構(1)與傳統磨菇狀結構之傳輸系數模擬比較 41
圖3.12 結構(2)俯視圖 42
圖3.13結構(2) 5X5模擬陣列圖 43
圖3.14結構(2)5X5陣列傳輸系數模擬 44
圖3.15結構(2)與傳統磨菇狀結構之傳輸係數模擬比較 44
圖3.16結構(1)與結構(2)之傳輸係數模擬比較 45
圖3.17新式蘑菇狀電磁帶隙結構設計 46
圖3.18 新式電磁帶隙結構之尺寸對照 46
圖3.19結構(1)、(2)與新式電磁帶隙結構之模擬傳輸係數比較 47
圖3.20新式電磁帶隙結構與傳統磨菇狀電磁帶隙結構之傳輸係數模擬
比較 48
圖3.21新式帶隙結構模擬與量測比較 49
圖3.22新式電磁帶隙結構實體圖 49
圖3.23 3X3陣列排序俯視圖 50
圖3.24新式電磁帶隙結構陣列3X3排列順序改變之傳輸係數模擬比較
50
圖3.25 4X4陣列排序俯視圖 51
圖3.26新式電磁帶隙結構陣列4X4排列順序改變之傳輸係數模擬比較.
51
圖3.27 5X5陣列排序俯視圖 52
圖3.28新式電磁帶隙結構陣列5X5排列順序改變之傳輸係數模擬比較
52
圖3.29 6X6陣列排序俯視圖 53
圖3.30新式電磁帶隙結構陣列6X6排列順序改變之傳輸係數模擬比較
53
圖3.31 5X5與3X3陣列傳輸係數模擬比較 54
圖3.32 6X6與4X4陣列傳輸係數模擬比較 55
圖3.33 5X5與6X6陣列新式電磁帶隙系結構之傳輸係數模擬比較 56
圖3.34蘑菇狀(1)俯視圖 57
圖3.35蘑菇狀(2)俯視圖 57
圖3.36傳統蘑菇狀結構(1)傳輸係數模擬 58
圖3.37傳統蘑菇狀結構(2)傳輸係數模擬 58
圖3.38 雙蘑菇狀結構之俯視圖 59
圖3.39雙蘑菇狀結構5X5陣列模擬 59
圖3.40雙蘑菇狀結構傳輸係數模擬 60
圖3.41雙蘑菇狀EBG結構傳輸係數量測與模擬比較 61
圖3.42 雙蘑菇狀EBG結構實體圖 61
圖3.43 雙蘑菇狀3X3陣列排序之俯視圖 62
圖3.44雙蘑菇狀3X3陣列順序改變之傳輸係數模擬比較 `62
圖3.45雙蘑菇狀4X4陣列排列順序改變之俯視圖 63
圖3.46雙蘑菇狀4X4陣列排序改變傳輸係數模擬比較 63
圖3.47雙蘑菇狀5X5陣列排列順序改變之俯視圖 64
圖3.48雙蘑菇狀5X5陣列排序改變傳輸係數模擬比較 64
圖3.49雙蘑菇狀6X6陣列排列順序改變之俯視圖 65
圖3.50雙蘑菇狀6X6陣列排序改變傳輸係數模擬比較 65
圖3.51雙蘑菇狀3X3與5X5陣列傳輸係數模擬比較 66
圖3.52雙蘑菇狀4X4與6X6陣列傳輸係數模擬比較 67
圖3.53雙蘑菇狀5X5與6X6陣列傳輸係數模擬比較 68
圖3.54緊密式電磁帶隙結構之剖面圖 69
圖3.55模擬電磁帶隙結構之剖面圖 69
圖3.56緊密型電磁帶隙結構俯視圖 69
圖3.57緊密型電磁帶隙結構參數對照 70
圖3.58 新式緊密型電磁帶隙結構俯視圖 70
圖3.59 新式緊密型電磁帶隙結構傳輸係數模擬 71
圖3.60傳統蘑菇狀EBG結構與新式緊密式EBG之傳輸係數模擬比較
72
圖3.61(a)新式頻率選擇面之尺寸(b)新式頻率選擇面之模擬陣列 74
圖3.62新式頻率選擇面之表面電流模擬 75
圖3.63新式頻率選擇面之傳輸系數模擬 75
圖3.64新式頻選擇面實體圖 76
圖4.1 FR4基板上設計兩微帶貼片天線俯視圖 85
圖4.2 未加入EBG饋入點1之反射損耗模擬與量測比較 86
圖4.3未加入EBG饋入點2之反射損耗模擬與量測比較 86
圖4.4FR4基板上設計兩微帶貼片天線加入EBG俯視圖 87
圖4.5 加入EBG饋入點1之反射損耗模擬與量測比較 88
圖4.6加入EBG饋入點2之反射損耗模擬與量測比較 88
圖4.7加入與未加入EBG饋入點1之反射損耗模擬比較 89
圖4.8加入與未加入EBG饋入點2之反射損耗模擬比較 89
圖4.9加入與未加入EBG之傳輸係數模擬比較 90
圖4.10未加入EBG前之傳輸係數量測與模擬 90
圖4.11加入EBG後之傳輸係數量測與模擬 91
圖4.12加入與未加入EBG之傳輸係數量測比較 91
圖4.13未加入EBG接近實作之架構參數電路俯視圖 93
圖4.14 原始與重新模擬及量測之饋入點1反射損耗比較 94
圖4.15原始與重新模擬及量測之饋入點2反射損耗比較 94
圖4.16加入EBG接近實作之架構參數電路俯視圖 95
圖4.17原始與重新模擬及量測之饋入點1反射損耗比較 96
圖4.18原始與重新模擬及量測之饋入點2反射損耗比較 96
圖4.19以實際電路參數重新模擬之傳輸係數比較 97
圖4.20未加入EBG之實體圖 98
圖4.21 加入EBG之實體圖 98
圖4.22截角單極天線尺寸示意圖 100
圖4.23單極天線有無截角反射損失模擬比較 100
圖4.24截角單極天線反射損失模擬與實測比較 101
圖4.25 截角單極天線在2.4 GHz之2D輻射場型模擬圖 101
圖4.26截角單極天線2D場型量測圖 102
圖4.27截角單極天線在2.4GHz之3D輻射場型實測圖 102
圖4.28截角單極天線實體圖 103
圖4.29 新式頻率選擇面實體圖 106
圖4.30新式頻率選擇面模擬與截角單極天線量測對應圖 106
圖4.31 截角單極天線與頻率選擇面穢騅Z離相對模擬反射損耗模擬
107
圖4.32 截角單極天線尺寸比較圖 107
圖4.33截角單極天線原始尺寸與縮小尺寸+FSS(d=24mm)之反射損耗
模擬 108
圖4.34截角單極天線縮小尺寸+FSS反射損耗模擬與量測比較 108
圖4.35截角單極天線與截角單極天線縮小尺寸+FSS(距離24mm)之反射
反射損耗模擬. 109
圖4.36 截角單極天線縮小尺寸+FSS(距離24mm)2D場型量測圖 109
圖4.37 截角單極天線縮小尺寸+FSS(距離24mm)3D場型量測圖 109
圖4.38截角單極天線縮小尺寸+FSS實體圖 110
表目錄
表3-1傳統蘑菇狀結構模擬參數 37
表3-2 結構(1)尺寸對照 40
表3-3 結構(1)模擬參數 40
表3-4 結構(2)尺寸對照 43
表3-5 結構(2)模擬參數 43
表3-1新式電磁帶隙結構之參數 46
表4-1 截角單極天線尺寸改變參數比較 107表4-2 截角單極天線與截角單極天線縮小尺寸+FSS比較 112

參考文獻
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