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研究生:蔡欣璇
研究生(外文):Hsin-Hsuan Tsai
論文名稱:具高設計自由度的金屬干擾之圓形微帶天線
論文名稱(外文):Metallic-Disturbing Circular Microstrip Antenna with High Design Freedom
指導教授:謝東宏謝東宏引用關係
指導教授(外文):Tung-Hung Hsieh
口試委員:謝東宏王周珍陳必偉
口試委員(外文):Tung-Hung HsiehChou-Chen WangPi-Wei Chen
口試日期:2013-06-27
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:2013
畢業學年度:101
語文別:中文
論文頁數:92
中文關鍵詞:雙頻操作金屬干擾圓形微帶天線扇形缺口形環形
外文關鍵詞:Dual-BandMetallic-DisturbingCircular Microstrip antennaSector typeNotch typeAnnular ring type
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本論文利用金屬干擾電場之技術與圓柱形微帶結構的結合,來設計在雙頻操作下,兼具尺寸縮小化、兩倍頻率間距調整且應用於商用頻段的多功能之圓形微帶天線。其中,金屬微帶結構包含扇形、缺口形與環形三種,而商用之微帶天線是針對GSM系統頻段。
對於扇形之微帶天線特性,理論數據顯示干擾的技術確實使原本傳統的圓形共振腔內之電場有效分歧,兩模態因而具有可接受之單波束輻射,設計理念的可行性得以證實。又當理念應用至缺口形、環形與商用頻段之微帶天線設計時,這些天線仍可具雙頻之操作,且小尺寸與兩倍頻率間距調整之多功能更顯示干擾技術之優點。不僅如此,環形微帶天線之設計經結構參數調整後,即可應用於GSM之系統。因此,不論是扇形、缺口形、環形與商用頻段之設計,在金屬干擾形狀的改變下,這些天線共振腔內之電場確實因金屬干擾而形成多元分佈,金屬干擾技術之高設計彈性是顯而易見的。
就理論分析之方式而言,本論文以空腔模式、天線結構剖半的運用與Moment method的搭配處理扇形之微帶天線的分析,原複雜的分析過程因而簡化,天線之共振頻率與電場等參數便可有效掌握,設計理念得以全面證實。又模擬與實驗數據的輔助不但驗證干擾技術之可行性與實用性,設計天線之效率亦提高。
本論文所設計之扇形、缺口形、環形與商用頻段之微帶天線,金屬干擾的技術皆可使這些天線具多元功能。因此,若干擾結構的組合可更多元,天線內電場應具更多元變化之分佈,則設計出具更豐富之功能的天線是更可期待的。

This thesis combines the metallic-disturbing technique and cylindrical microstrip structure to design dual-band antennas with the function of either for size reduction, double frequency separation or used at commercial band. These microstrip are designed with the metallic-disturbing structures include various geometries such as sector, notch or annular ring type.
For the characteristics of sector-type circular microstrip antenna, theoretical results show that the technique of metallic-disturbing can change the distribution of electric field in order to achieve two modes with single-beam radiations, design scheme is also verified. While the technique of metallic-disturbing is applied to those antennas with sector type, notch type or annular type, all of them can operate at dual bands. In addition, the advantages of antenna with size reduction and double frequency separation can increase the design flexibility as well. Moreover, after the adjustment of structure parameters of annular ring, this microstrip antenna can operate at GSM system. According to these four different designs, their various distribution of electric field by metallic-disturbing technique show the high freedom for antenna design.
As for the analysis method, this thesis employs the concepts of cavity model, half cavity skill and moment method to investigate basic characteristics of sector type microstrip antenna as an example. Complicated analysis procedure is simplified and the basic antenna parameters such as resonant frequencies and distribution of electric fields become easy to obtain. Meanwhile, those theoretical results also confirm design scheme. The result from simulation and experiment do not only verify the practice of metallic-disturbing technique but also increase the efficiency during design.
The four types of antennas in this thesis can operate with multiple functions by the employment of metallic-disturbing technique. Therefore, once the disturbing structures can vary the electric field more effectively, an antenna with more functions could be expected.

摘要......................................i
英文摘要..................................ii
致謝.....................................iii
目錄......................................iv
圖目錄.....................................v
表目錄.....................................x
第一章 緒論................................1
1-1 歷史背景與研究動機.......................1
1-2 設計方式與分析方式.......................2
1-3 論文架構...............................4
第二章 雙層微帶天線之分析.....................5
2-1 雙層微帶天線理論分析之建立.................5
2-2 雙層微帶天線之特性探討....................8
2-3 結論..................................9
第三章 扇形金屬干擾的雙層圓形微帶天線...........20
3-1 天線相關參數之推導......................20
3-2 天線輻射場的推導........................28
3-3 利用理論探討天線之數據的收斂..............30
3-4 天線特性之探討.........................32
3-5 結論..................................34
第四章 扇形金屬干擾的雙層圓形微帶天線之延伸應用...59
4-1 缺口形金屬干擾的雙層圓形微帶天線...........60
4-2 環形金屬干擾的雙層圓形微帶天線.............61
4-3 結論..................................63
第五章 結論與討論...........................76

參考文獻...................................78


圖目錄
圖2.1 雙層微帶天線之結構:(a)立體圖,(b)前視圖。......10

圖2.2 為圖2.1之雙層微帶天線共振腔分區示意圖。.........11

圖2.3 在間隙結構處,切線電場與金屬表面之關係示意圖。.....12

圖2.4 利用空腔模式方法處理圖2.1之雙層微帶天線的參數之流程圖。......13

圖2.5 對於兩層電介質之雙層微帶天線,模擬軟體中,利用不同饋入位置擷取阻抗之方式:(a)饋入在間隙處以外的下層區域,(b)饋入在間隙區域。.........14

圖2.6 對於圖2.1之雙層微帶天線,由模擬可得之電場分佈之範圍的示意圖:(a)間隙處以外的下層區域,(b)間隙區域。....15

圖2.7 對於圖2.6(a)之雙層微帶天線,在間隙處以外的下層區域,理論與模擬所得之Ez電場分佈:(a)左側,(b)右側。其中天線結構參數:a=e=0.7cm,b=d=0.33cm,c=0.175cm,wx=2cm,t1=t2=20mils,εr1=εr2=6.2。.........16

圖2.8 對於圖2.6(b)之雙層微帶天線,在間隙區域,理論與模擬所得的Ez電場分佈。其中天線結構參數如圖2.7中之數據。.........17

圖2.9 對於圖2.1之雙層微帶天線,在整個天線的橫剖面,理論所得之天線整體內的Ez電場分佈。其中天線結構參數如圖2.7中之數據。....18

圖2.10對於圖2.1之雙層微帶天線,由理論與模擬所得的輻射場型:(a)E平面,(b)H平面。其中天線結構參數如圖2.7中之數據,而理論與模擬之共振頻率分別為5.122與5.195 GHz。.....19

圖3.1 扇形金屬干擾的雙層圓形微帶天線之結構: (a)立體圖,(b)扇形干擾與間隙結構之上視圖。其中,灰色部分代表金屬微帶條。....35

圖3.2 為圖3.1之扇形金屬干擾的雙層圓形微帶天線之共振腔示意圖。.......36

圖3.3 為圖3.1之扇形金屬干擾的雙層圓形微帶天線共振腔分區示意圖。..........37

圖3.4 對圖3.1之扇形金屬干擾的雙層圓形微帶天線,經沿縱剖面剖成兩半後,簡化後的天線結構之示意圖。....38

圖3.5 為圖3.1之扇形金屬干擾的雙層圓形微帶天線的磁流分佈位置之示意圖。.........39

圖3.6 對於圖3.1之扇形金屬干擾的雙層圓形微帶天線,磁流源與觀察點相對位置之示意圖。.........40

圖3.7 對於圖3.1之扇形金屬干擾的雙層圓形微帶天線,推導輻射場之流程圖。..........41

圖3.8 對於圖3.1之扇形金屬干擾的雙層圓形微帶天線之兩模態,諧波數與基底數之比例對共振頻率變化的影響:(a)第一模態,(b)第二模態。其中天線結構參數:a=3cm, , , =6.2, =2.2,t1=t2=20mils。.......42

圖3.9 對於圖3.1之扇形金屬干擾的雙層圓形微帶天線之兩模態,共振頻率與基底數之關係圖:(a)第一模態,(b)第二模態。其中諧波數為15倍的基底數。而天線結構參數如圖3.8中的數據。..........43

圖3.10 對於圖3.1之扇形金屬干擾的雙層圓形微帶天線之兩模態,基底係數 之比值與基底數之關係圖:(a)第一模態,(b)第二模態。其中諧波數為15倍的基底數。而天線結構參數如圖3.8中的數據。..........44

圖3.11 對於圖3.1之扇形金屬干擾的雙層圓形微帶天線之兩模態,在 至 範圍內,沿 方向上,由理論所得之Ez電場分佈:(a)第一模態,(b)第二模態。其中總諧波數為 。而天線結構參數如圖3.8中的數據。 .......45

圖3.12 對於圖3.1之扇形金屬干擾的雙層圓形微帶天線,當饋入位置在 為 之剖面上,Ez電場沿 方向之分佈的示意圖:(a)虛線區域為天線之半邊結構上視圖,其中灰色部分代表金屬微條帶,(b)灰色區域為結構 = 至 之電場範圍。..........46

圖3.13 對於圖3.1之扇形金屬干擾的雙層圓形微帶天線,電場沿徑向分佈之範圍的示意圖:(a)上視圖,(b)側視圖。其中是指間隙之上下兩區範圍。............47

圖3.14 對於圖3.1之扇形金屬干擾的雙層圓形微帶天線,電場沿 方向分佈之範圍的示意圖:(a)上視圖,(b)側視圖。其中是指間隙之上下兩區範圍。代表間隙處兩側的下層區域。............48

圖3.15 對於圖3.1之扇形金屬干擾的雙層圓形微帶天線的第一模態,在 為 之橫剖面上,由兩種不同方式所得的電場分佈:(a)理論,(b)模擬之兩區間隙處。其中天線結構參數如圖3.8中之數據,而理論與模擬所用的共振頻率分別為1.446與1.545 GHz。.......49

圖3.16 對於圖3.1之扇形金屬干擾的雙層圓形微帶天線的第二模態,在 為 之橫剖面上,由兩種不同方式所得的電場分佈:(a)理論,(b)模擬之兩區間隙處。其中天線結構參數如圖3.8中之數據,而理論與模擬所用的共振頻率分別為2.079與2.335 GHz。..........50

圖3.17 對於圖3.1之扇形金屬干擾的雙層圓形微帶天線的第一模態,在共振腔內,理論所得的Ez電場沿 方向之分佈。其中天線結構參數如圖3.8中之數據,而所用的共振頻率為1.446 GHz。...........51

圖3.18 對於圖3.1之扇形金屬干擾的雙層圓形微帶天線的第一模態,在間隙處兩側的下層區域,由理論與模擬所得的Ez電場沿 方向之分佈:(a)左側,(b)右側。其中天線結構參數如圖3.8中之數據,而理論與模擬所用的共振頻率分別為1.446與1.545 GHz。........52

圖3.19 對於圖3.1之扇形金屬干擾的雙層圓形微帶天線的第一模態,在兩區間隙區域,由理論與模擬所得的Ez電場沿 方向之分佈。其中天線結構參數如圖3.8中之數據,而理論與模擬所用的共振頻率分別為1.446與1.545 GHz。..........53

圖3.20 對於圖3.1之扇形金屬干擾的雙層圓形微帶天線的第二模態,在共振腔內,理論所得的Ez電場沿 方向之分佈。其中天線結構參數如圖3.8中之數據,而所用的共振頻率為2.079 GHz。........54

圖3.21 對於圖3.1之扇形金屬干擾的雙層圓形微帶天線的第二模態,在間隙處兩側的下層區域,由理論與模擬所得的Ez電場沿 方向之分佈:(a)左側,(b)右側。其中天線結構參數如圖3.8中之數據,而理論與模擬所用的共振頻率分別為2.079與2.335 GHz。........55

圖3.22 對於圖3.1之扇形金屬干擾的雙層圓形微帶天線的第二模態,在兩區間隙區域,由理論與模擬所得的Ez電場沿 方向之分佈。其中天線結構參數如圖3.8中之數據,而理論與模擬所用的共振頻率分別為2.079與2.335 GHz。.........56

圖3.23 對於圖3.1扇形金屬干擾的雙層圓形微帶天線的第一模態,在不同剖面上,由理論與模擬所得輻射場型:(a)E平面,(b)H平面。其中天線結構參數如圖3.8中之數據,而理論與模擬所用的共振頻率分別為1.446與1.545 GHz。.........57

圖3.24 對於圖3.1扇形金屬干擾的雙層圓形微帶天線的第二模態,在不同剖面上,由理論與模擬所得輻射場型:(a)E平面,(b)H平面。其中天線結構參數如圖3.8中之數據,而理論與模擬所用的共振頻率分別為2.079與2.335 GHz。...........58

圖4.1 缺口形金屬干擾的雙層圓形微帶天線之結構: (a)立體圖,(b)中間金屬層之上視圖。其中,灰色部分代表金屬微帶條。....65

圖4.2 對於圖4.1缺口形金屬干擾的雙層圓形微帶天線的第一模態,在不同剖面上之輻射場型:(a)E平面,(b)H平面。其中天線結構參數:a=3cm, , =6.2, =2.2,t1=t2=20mils。而Ensemble與HFSS之共振頻率分別為1.375與1.396 GHz。.......66

圖4.3 對於圖4.1缺口形金屬干擾的雙層圓形微帶天線的第二模態,在不同剖面上之輻射場型:(a)E平面,(b)H平面。其中天線結構參數如圖4.2中之數據,而Ensemble與HFSS之共振頻率分別為1.938與1.961 GHz。...........67

圖4.4 環形金屬干擾的雙層圓形微帶天線之結構: (a)立體圖,(b)環形干擾與間隙結構之上視圖。其中,灰色部分代表金屬微帶條。.....68

圖4.5 對於圖4.4環形金屬干擾的雙層圓形微帶天線的第一模態,在不同剖面上之輻射場型:(a)E平面,(b)H平面。其中天線結構參數:a=3cm,b=2.8cm,c=2.1cm, =3.35, =1,t1=t2=20mils。而Ensemble與HFSS之共振頻率分別為1.212與1.27 GHz。.....69

圖4.6 對於圖4.4環形金屬干擾的雙層圓形微帶天線的第二模態,在不同剖面上之輻射場型:(a)E平面,(b)H平面。其中天線結構參數如圖4.5中之數據。而Ensemble與HFSS之共振頻率分別為2.411與2.435 GHz。..........70

圖4.7 對於圖4.4環形金屬干擾的雙層圓形微帶天線的第一模態,在不同剖面上之輻射場型:(a)E平面,(b)H平面。其中天線結構參數:a=3cm,b=1.35cm,c=1.3cm, =3.35, =1,t1=t2=20mils。而Ensemble與HFSS之共振頻率分別為2.242與2.27 GHz。.....71

圖4.8 對於圖4.4環形金屬干擾的雙層圓形微帶天線的第二模態,在不同剖面上之輻射場型:(a)E平面,(b)H平面。其中天線結構參數如圖4.7中之數據。而Ensemble與HFSS之共振頻率分別為2.419與2.44GHz。.........72

圖4.9 對於圖4.4環形金屬干擾的雙層圓形微帶天線,由Ensemble與實驗所得的Return loss數據圖。其中天線結構參數:a=4cm,b=3.7cm,c=2.8cm, =3.35, =1,t1=t2=20mils,饋入位置在(1.6,45。)。..........73

圖4.10 對於圖4.4環形金屬干擾的雙層圓形微帶天線的第一模態,在不同剖面上之輻射場型:(a)E平面,(b)H平面。其中天線結構參數如圖4.9中之數據。共振頻率為0.91 GHz。..........74

圖4.11 對於圖4.4環形金屬干擾的雙層圓形微帶天線的第二模態,在不同剖面上之輻射場型:(a)E平面,(b)H平面。其中天線結構參數如圖4.9中之數據。共振頻率為1.81 GHz。..........75


表目錄
表3.1 扇形金屬干擾的雙層圓形微帶天線之共振頻率對照表..........32

表4.1 由Ensemble與HFSS所得的共振頻率表...........60

表4.2 對於圖3.1與圖4.1之兩種天線結構的共振頻率表........61

表4.3 對於圖4.4之天線,第一組結構參數的共振頻率表........62

表4.4 對於圖4.4之天線,第二組結構參數相對應的共振頻率表.......62



[1] K. J. Kim, W. G. Lim, J. W. Yu, “High Isolation Internal Dual-Band Planar Inverted-F Antenna Diversity System with Band-Notched Slots for MIMO Terminals,” Proceedings of the 36th European Microwave Conference, pp. 1414-1417, September 2006.

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[8] 陳勁嘉, 謝東宏, 陳必偉, 史偉華, “具雙頻操作的單片攪動微帶天線,”2011電子工程技術研討會(2011ETS), pp. 9, 台灣, 高雄, 2011.

[9] 楊維仁, 謝東宏, 陳必偉, “具雙頻操作的圓形多層共平面微帶天線,” 銘傳大學2011國際學術研討會, pp.7, 台灣, 台北, 2011.

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[12] 林怡君, 謝東宏, 陳必偉, “具圓極化功能的雙層圓形微帶天線,” 2010電子工程技術研討會(2010ETS), pp.7, 台灣, 高雄, 2010.

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[15] R. Harrington, “Origin and Development of the Method of Moment for Field Computation,” IEEE, Antenna and Propagation Magazine, Vol. 32, pp. 31-35, June 1990.

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