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研究生:程心澤
研究生(外文):Cheng, Hsintse
論文名稱:具三頻操作的階梯型微帶天線
論文名稱(外文):Ladder-Shape Microstrip Antenna For Triple-Band Operation
指導教授:謝東宏謝東宏引用關係
指導教授(外文):Hsieh, Tunghung
口試委員:謝東宏陳必偉王周珍
口試委員(外文):Hsieh, TunghungChen, PiweiWang, Chouchen
口試日期:2012-07-20
學位類別:碩士
校院名稱:義守大學
系所名稱:電子工程學系
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:2012
畢業學年度:100
語文別:中文
論文頁數:97
中文關鍵詞:三頻操作階梯型微帶天線
外文關鍵詞:Triple-Band OperationLadder-ShapeMicrostrip Antenna
相關次數:
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為利用多頻操作的方式減少產品中之天線數量,本論文以扭曲電場的理念,天線切割成能擁有三段不同共振長度的階梯形狀,經適當的調整尺寸後,設計了一個具三頻的階梯型微帶天線和一個具四頻的凹階梯型微帶天線。
對於階梯型天線特性而言,分析、模擬及實驗證實了此天線有三個模態能各自形成可接受的單波束,且三個模態均達阻抗匹配,因此天線具有三頻操作的功能。而天線結構之橫向的切割程度能有效的調整頻帶的間距,而縱向的切割程度則有助於輻射場型的改善。當理念應用至適當的尺寸下的凹階梯型結構時,多個模態的磁流能有效的安排進而形成單波束輻射,所以凹階梯型天線能具有四頻操作的功能。
本論文以共振腔理論將階梯型天線分成三區並搭配Moment Method之處理,天線各重要的參數便能有效的獲得。分析過程中是藉由電磁場的邊界條件及連續性求解,因而電磁波在階梯型天線內的特性得以掌握。而分析數據與模擬以及實驗的結果相近,所以共振腔模式之理論分析的正確性得以證實,因此本文中之數據是具參考價值的。又複雜結構的分區應會越多,但本文中之分析方式應適用於其他多個矩形組合之結構。
此外,藉階梯型天線之分析及結構參數的改變對此天線的設計理念能有效的全方位掌握,且此理念亦可應用至具四頻操作的凹階梯型天線,此結果證實了扭曲電場的設計概念具有相當高的設計彈性及功能性。而在設計理念特性的掌握後,本論文進而做延伸至凹階梯型結構,如此循序漸進的研究方式,對應用至更多功能需求的設計時是有正面幫助的。
For reducing the number of antennas used in products for multi-frequency operation, this thesis employs the concept of electric field distortion, and antenna cutting into the ladder shape with three different resonant lengths. After appropriate size adjustment, the ladder-shape microstrip antenna for triple-band operation and the concave ladder-shape microstrip antenna for quad-band operation are designed.
For characteristics of the ladder-shape microstrip antenna, the analysis, simulation and experiment confirm that this antenna has three modes with acceptable single-beam radiation and impedance matching, so the function of tri-band operation is achieved. By cutting antenna along transverse direction, the spacing of the frequency band can be effectively adjusted, while cutting vertically can improve the radiation patterns. When the concept is applied to the appropriate size of the concave ladder-shape structure, the magnetic current of multi-modes can effectively be arranged to form a single beam of radiation, therefore this antenna can operate at quad-bands.
This thesis uses the cavity model to divide the ladder-shape microstrip antenna into three rectangular cavities with the process of Moment Method, and all important parameters of the antenna can be obtained. Analysis procedure is done by solving the boundary conditions and continuity of the electromagnetic fields, thus characteristics of electromagnetic waves in this antenna are investigated. Analysis, simulation and experiment results are similar with each other, so the validity of theory by cavity model is proved, thus, the data in this thesis is useful for reference. As these divisions of complicated structure get more and more, the analysis concept in this thesis should be eligible to other structures with multiple rectangular shapes.
In addition, this design concept can be effectively understood by the analysis and the variation of structural parameters for the ladder-type microstrip antenna. As this concept is applied to the concave ladder-shape for quad-band operation, results confirm that the design concept of the distorted electric field is flexible and versatile. The extension to concave ladder-shape suture is done after characteristics investigation in this thesis, the research step by step is helpful for the future designs with the demand of more functions.
中文摘要i
英文摘要ii
致謝iii
目錄iv
圖目錄v
第一章 緒論1
1-1 歷史背景與研究動機1
1-2 設計理念與分析方法2
1-3 論文架構3
第二章 具雙頻操作的T型微帶天線4
2-1 T型微帶天線4
2-2 切割程度對T型微帶天線5
2-3 結論6
第三章 具三頻操作的階梯型微帶天線18
3-1 階梯型微帶天線電場之推導18
3-2 階梯型微帶天線輻射與輸入阻抗之推導27
3-3 理論分析數值的收斂29
3-4 階梯型微帶天線特性探討30
3-5 結論32
第四章 階梯型微帶天線之特性探討及設計理念延伸應用58
4-1 橫向切割程度之影響58
4-2 縱向切割程度之影響60
4-3 凹階梯型微帶天線61
4-4 結論62
第五章 總結與討論82
參考文獻84
圖目錄
圖2.1 T型微帶天線之結構圖:(a)上視圖,(b)前視圖。7
圖2.2 對圖2.1之T型微帶天線,由模擬以及實驗所得的Return loss數據圖。其中天線結構參數:a=3cm,b=2cm,c=2cm,d=1cm,e=2cm, t=20mil,εr=3.35,饋入位置在(-0.5,0.5)。8
圖2.3 對圖2.1之T型微帶天線,在不同剖面上,由模擬所得的第一模態電場分佈圖:(a)x=c/2,(b)x=c+d/2。其中共振頻率為1.6GHz,而天線結構參數如圖2.2中的數據。9
圖2.4 對圖2.1之T型微帶天線,在不同剖面上,由模擬所得的第二模態電場分佈圖:(a)x=c/2,(b)x=c+d/2。其中共振頻率為2.83GHz,而天線結構參數如圖2.2中的數據。10
圖2.5 對圖2.1之T型微帶天線,在不同剖面上,由模擬所得的第三模態電場分佈圖:(a)x=c/2,(b)x=c+d/2。其中共振頻率為5.12GHz,而天線結構參數如圖2.2中的數據。11
圖2.6 對圖2.1之T型微帶天線,由模擬所得的第一模態之輻射場型:(a)E-plane,(b)H-plane。其中共振頻率為1.6GHz,而天線結構參數如圖2.2中的數據。12
圖2.7 對圖2.1之T型微帶天線,由模擬所得的第二模態之輻射場型:(a)E-plane,(b)H-plane。其中共振頻率為2.83GHz,而天線結構參數如圖2.2中的數據。13
圖2.8 對圖2.1之T型微帶天線,由模擬所得的第三模態之輻射場型:(a)E-plane,(b)H-plane。其中共振頻率為5.12GHz,而天線結構參數如圖2.2中的數據。14
圖2.9 對圖2.1之T型微帶天線,由模擬所得的共振頻率與短邊a之關係圖。其中天線結構參數如圖2.2中的數據,而a值是以其與a+b之百分比表示。15
圖2.10 對圖2.1之T型微帶天線,由模擬所得之數據:(a)共振頻率,(b)阻抗與寬側邊c+d+e之關係圖。其中天線結構參數如圖2.2中的數據,而c+d+e值是以其與a+b之百分比表示。16
圖2.11 對圖2.1之T型微帶天線,由模擬所得之數據:(a)共振頻率,(b)阻抗與窄側邊d之關係圖。其中天線結構參數如圖2.2中的數據,而d值是以其與a+b之百分比表示。17
圖3.1 階梯型微帶天線之結構圖:(a)上視圖,(b)前視圖。34
圖3.2 為圖3.1之階梯型微帶天線的共振腔示意圖:(a)PMC位置,(b)PEC位置。35
圖3.3 為圖3.1之階梯型微帶天線的磁流分佈示意圖。36
圖3.4 圖3.4 對圖3.1之階梯型微帶天線,諧波數對頻率之影響圖:(a)基底數=3,(b)基底數=11。其中天線結構參數:a=2.1cm,b=2cm, c=1.9cm,d=1cm,e=1.2cm,f=1cm,g=1.2cm,h=1cm,t=20mil,εr=3.35。37
圖3.5 對圖3.1之階梯型微帶天線,由理論所得的共振頻率與基底數之關係圖:(a)第一模態,(b)第二模態,(c)第三模態。其中諧波數為20倍的基底數。而天線結構參數如圖3.4中的數據。39
圖3.6 對圖3.1之階梯型微帶天線,由理論所得的係數比值圖:(a) α_m/ α_1,(b)β_m/β_1。其中諧波數為20倍的基底數。而天線結構參數如圖3.4中的數據。40
圖3.7 對圖3.1之階梯型微帶天線,在Junctions上,由理論所得之第一模態切線磁場分佈圖:(a)基底數=3,(b)基底數=11。其中諧波數為20倍的基底數。而天線結構參數如圖3.4中的數據。41
圖3.8 對圖3.1之階梯型微帶天線,在Junctions上,由理論所得之第二模態切線磁場分佈圖:(a)基底數=3,(b)基底數=11。其中諧波數為20倍的基底數。而天線結構參數如圖3.4中的數據。42
圖3.9 對圖3.1之階梯型微帶天線,在Junctions上,由理論所得之第三模態切線磁場分佈圖:(a)基底數=3,(b)基底數=11。其中諧波數為20倍的基底數。而天線結構參數如圖3.4中的數據。43
圖3.10 對圖3.1之階梯型微帶天線,由理論、模擬以及實驗所得的Return loss數據圖:(a)第一模態,(b)第二模態,(C)第三模態。其中天線結構參數如圖3.4中的數據,而理論的饋入位置為(-1.6,2.7),又模擬及實驗的饋入位置為(-0.3,2.7)。45
圖3.11 對圖3.1之階梯型微帶天線的第一模態而言,在不同橫剖面上,由理論與模擬所得的電場分佈圖:(a)x=d+e+f/2,(b)x=d+e/2,(c)x=d/2。而天線結構參數如圖3.4中的數據。47
圖3.12 對圖3.1之階梯型微帶天線的第二模態而言,在不同橫剖面上,由理論與模擬所得的電場分佈圖:(a)x=d+e+f/2,(b)x=d+e/2,(c)x=d/2。而天線結構參數如圖3.4中的數據。49
圖3.13 對圖3.1之階梯型微帶天線的第三模態而言,在不同橫剖面上,由理論與模擬所得的電場分佈圖:(a)x=d+e+f/2,(b)x=d+e/2,(c)x=d/2。而天線結構參數如圖3.4中的數據。51
圖3.14 對圖3.1之階梯型微帶天線的第一模態而言,由理論與模擬所得的輻射場型:(a)E-plane,(b)H-plane。而天線結構參數如圖3.4中的數據。52
圖3.15 對圖3.1之階梯型微帶天線的第二模態而言,由理論與模擬所得的輻射場型:(a)E-plane,(b)H-plane。而天線結構參數如圖3.4中的數據。53
圖3.16 對圖3.1之階梯型微帶天線的第三模態而言,由理論與模擬所得的輻射場型:(a)E-plane,(b)H-plane。而天線結構參數如圖3.4中的數據。54
圖3.17 對圖3.1之階梯型微帶天線的第一模態而言,經頻率修正後,由理論、模擬與實驗所得之阻抗:(a)實部阻抗,(b)虛部阻抗。而天線結構參數如圖3.4中的數據,而饋入位置皆為(-0.3,2.7)。55
圖3.18 對圖3.1之階梯型微帶天線的第二模態而言,經頻率修正後,由理論、模擬與實驗所得之阻抗:(a)實部阻抗,(b)虛部阻抗。而天線結構參數如圖3.4中的數據,而饋入位置皆為(-0.3,2.7)。56
圖3.19 對圖3.1之階梯型微帶天線的第三模態而言,經頻率修正後,由理論、模擬與實驗所得之阻抗:(a)實部阻抗,(b)虛部阻抗。而天線結構參數如圖3.4中的數據,而饋入位置皆為(-0.3,2.7)。57
圖4.1 對圖3.1之階梯型微帶天線,由理論以及模擬所得的共振頻率與a值之關係圖。其中天線結構參數分別為:其中天線結構參數:b=2cm, c=1.9cm,d=1cm,e=1.2cm,f=1cm,g=1.2cm,h=1cm,t=20mil,εr=3.35,而a值是以百分比表示之。63
圖4.2 對圖3.1之階梯型微帶天線,在E-plane上,由模擬所得的輻射狀況與a值之關係圖:(a) Co-pol.凹陷程度,(b) Co-pol.與X-pol.峰值差距。其中天線結構參數如圖4.1中的數據。64
圖4.3 對圖3.1之階梯型微帶天線,在H-plane上,由模擬所得的輻射狀況與a值之關係圖:(a) Co-pol.凹陷程度,(b) Co-pol.與X-pol.峰值差距。其中天線結構參數如圖4.1中的數據,負dB值代表X-pol.輻射高於Co-pol.的。65
圖4.4 對圖3.1之階梯型微帶天線,由理論以及模擬所得的共振頻率與b值之關係圖。其中天線結構參數分別為:其中天線結構參數:a=2.1cm, c=1.9cm,d=1cm,e=1.2cm,f=1cm,g=1.2cm,h=1cm,t=20mil,εr=3.35,而b值是以百分比表示之。66
圖4.5 對圖3.1之階梯型微帶天線,由理論以及模擬所得的共振頻率與d+e+f+g+h值之關係圖。其中天線結構參數分別為:其中天線結構參數: a=2.1cm,b=2cm,c=1.9cm,e=1.2cm,f=1cm,g=1.2cm,t=20mil, r=3.35,而d+e+f+g+h值是以百分比百示之。67
圖4.6 對圖3.1之階梯型微帶天線,在E-plane上,由模擬所得的輻射狀況與d+e+f+g+h值之關係圖:(a) Co-pol.凹陷程度,(b) Co-pol.與X-pol.峰值差距。其中天線結構參數如圖4.5中的數據,負dB值代表X-pol.輻射高於Co-pol.的。68
圖4.7 對圖3.1之階梯型微帶天線,在H-plane上,由模擬所得的輻射狀況與d+e+f+g+h值之關係圖:(a) Co-pol.凹陷程度,(b) Co-pol.與X-pol.峰值差距。其中天線結構參數如圖4.5中的數據,負dB值代表X-pol.輻射高於Co-pol.的。69
圖4.8 對圖3.1之階梯型微帶天線,由理論以及模擬所得的共振頻率與e+f+g值之關係圖。其中天線結構參數分別為:其中天線結構參數:a=2.1cm,b=2cm,c=1.9cm,f=1cm,d+e+f+g+h=5.4cm,t=20mil,εr=3.35,而e+f+g值是以百分比表示之。70
圖4.9 對圖3.1之階梯型微帶天線,在E-plane上,由模擬所得的輻射狀況與e+f+g值之關係圖:(a) Co-pol.凹陷程度,(b) Co-pol.與X-pol.峰值差距。其中天線結構參數如圖4.8中的數據,負dB值代表X-pol.輻射高於Co-pol.的。71
圖4.10 對圖3.1之階梯型微帶天線,在H-plane上,由模擬所得的輻射狀況與e+f+g值之關係圖:(a) Co-pol.凹陷程度,(b) Co-pol.與X-pol.峰值差距。其中天線結構參數如圖4.8中的數據,負dB值代表X-pol.輻射高於Co-pol.的。72
圖4.11 對圖3.1之階梯型微帶天線,由理論以及模擬所得的共振頻率與f值之關係圖。其中天線結構參數分別為:其中天線結構參數:a=2.1cm,b=2cm,c=1.9cm,d=1cm,h=1cm,d+e+f+g+h=5.4cm,t=20mil,εr=3.35,而f值是以百分比表示之。73
圖4.12 對圖3.1之階梯型微帶天線,在E-plane上,由模擬所得的輻射狀況與f值之關係圖:(a) Co-pol.凹陷程度,(b) Co-pol.與X-pol.峰值差距。其中天線結構參數如圖4.11中的數據。74
圖4.13 對圖3.1之階梯型微帶天線,在H-plane上,由模擬所得的輻射狀況與f值之關係圖:(a) Co-pol.凹陷程度,(b) Co-pol.與X-pol.峰值差距。其中天線結構參數如圖4.11中的數據,負dB值代表X-pol.輻射高於Co-pol.的。75
圖4.14 凹階梯型微帶天線之結構圖:(a)上視圖,(b)前視圖。76
圖4.15 對圖4.14之凹階梯型微帶微帶天線,由模擬所得的Return loss數據圖。其中天線結構參數:a=2cm,b=2cm,c=2cm,d=0.2cm,e=1.2cm,f=3.6cm,g=1.2cm,h=0.2cm,t=20mil,εr=3.35,饋入位置在(-1.9,0.8)。77
圖4.16 對圖4.14之凹階梯型微帶天線的TM1模態而言,由模擬所得的輻射場型:(a)E-plane,(b)H-plane。而天線結構參數如圖4.15中的數據,共振頻率為1.5GHz。78
圖4.17 對圖4.14之凹階梯型微帶天線的TM2模態而言,由模擬所得的輻射場型:(a)E-plane,(b)H-plane。而天線結構參數如圖4.15中的數據,共振頻率為2.25GHz。79
圖4.18 對圖4.14之凹階梯型微帶天線的TM3模態而言,由模擬所得的輻射場型:(a)E-plane,(b)H-plane。而天線結構參數如圖4.15中的數據,共振頻率為4.13GHz。80
圖4.19 對圖4.14之凹階梯型微帶天線的TM4模態而言,由模擬所得的輻射場型:(a)E-plane,(b)H-plane。而天線結構參數如圖4.15中的數據,共振頻率為4.95GHz。81
中文部份
[1]戴崇倫, 具雙頻操作的T型單層微帶天線, 碩士論文, 義守大學電子工程研究所, 台灣, 高雄, 2011.
[2]戴崇倫, 謝東宏, 程心澤, “T-Shape Microstrip Antenna for Dual-Band Operation,” 2009 全國電信研討會, pp. 193, 國立高雄大學, 台灣, 2009.
英文部份
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[2]C. H. See, R. A. Abd-Alhameed, D. Zhou and P. S. Excell, “Dual-Frequency Planar Inverted F-L-Antenna (PIFLA) for WLAN and Short Range Communication Systems”, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 56, pp. 3318-3320, October 2008.
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[8]T.-H. Hsieh and C. S. Lee, “Double-layer high-gain microstrip array antenna,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 48, no. 7, Jul. 2000.
[9]W. S. Chen, P. C. Chang, T. W. Chiu, F. R. Hsiao, “An embedded tri-band planar inverted-F antenna with a branch-line shorting strip”, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 1B, pp. 447-450, 2005.
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