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研究生:蘇祥
研究生(外文):Hsiang Su
論文名稱:可重構頻率封閉迴路金屬邊框天線於 LTE頻段應用之研究
論文名稱(外文):Study of Frequency-Reconfigurable Metal-Ring Antenna for LTE Band Applications
指導教授:陳冠宇陳冠宇引用關係孫卓勳孫卓勳引用關係
口試委員:程光蛟賴柏洲
口試日期:2016-07-05
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺北科技大學
系所名稱:電子工程系研究所
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
畢業學年度:104
語文別:中文
中文關鍵詞:長期演進技術可重構頻率金屬邊框天線
外文關鍵詞:Reconfigurable AntennaLTEMetal-Ring Antenna
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本論文設計出應用於長期演進技術(Long Term Evolution,LTE)頻段之可重構頻率封閉迴路金屬邊框天線,整體天線架構為封閉迴路金屬框即為環型天線之路徑。使用兩種方式達到所期望之可重構頻段:第一種方式為環型天線之饋入端擺放一π 型電路並用SMD 元件使阻抗匹配;第二種方式為於金屬邊框與接地面之間擺放PIN 二極體並利用偏壓特性改變電流走向,進而改變天線有效電器長度。最後量測結果操作頻段可涵蓋700 MHz - 960 MHz、1.71 GHz - 2.69 GHz、3.15 GHz - 3.85 GHz 以及5.15 GHz - 5.875 GHz,皆符合LTE band 1-10, 12-30,33-44 與WALAN/Wi-Fi 頻段範圍。而在天線的輻射增益及效率上,在低頻段上,其輻射效率部分最佳可以達到60%,平均效率在35%以上;在輻射增益的部分,皆超過0dBi 以上;在中頻段上其輻射效率部分最佳可以達到83%,平均效率在50%以上;在輻射增益的部分,皆超過2dBi 以上;在高頻段上,其輻射效率部分最佳可以達到95%,平均效率在75%以上;在輻射增益的部分,皆超過4dBi以上。
In this paper, a metal-ring antenna design and measurement for handsets application is proposed. A loop structure with metal-ring and ground plane on FR-4 substrate to achieve antenna design to cover LTE bands was proposed. Impedance matching circuits constructed of capacities and inductors can tune the antenna system to operate with multiple bands capability was implemented. In current design, low-band with 4 kinds of impedance matching circuits is accomplished and cover LTE 700, 900. Through the addition 4 diodes, 3 impedance matching circuits with short diode and open diode can change the effective length of antenna so that higher frequency bands can be successfully generated ranging from 1.71 GHz - 2.69 GHz, 3.15 GHz - 3.85 GHz, and 5.15 GHz - 5.85 GHz. Therefore, the reconfigurable antenna using SMDs and diodes with seamless metal-ring will fit in the required LTE bands. The radiation pattern, efficiency and gain of metal-ring antenna are measured.
目 錄
中文摘要 i
英文摘要 ii
誌 謝 iii
目錄 iv
表目錄 vi
圖目錄 vii
第一章 導論 1
1.1 研究背景 1
1.2 研究動機 2
1.3 論文大綱 2
第二章 理論概述 4
2.1 天線概述 4
2.2可重構天線之文獻探討 7
2.2.1 PIN二極體 8
2.2.2 微機電系統(MEMS) 8
2.2.3 變容二極體 9
第三章 模擬可重構頻段之金屬框天線 10
3.1 原始金屬框天線特性 10
3.1.1描述金屬框天線 10
3.1.2 參數模擬及分析 11
3.2 設計低頻段匹配電路 16
3.2.1 S參數模擬結果 16
3.2.2 輻射場型模擬結果 22
3.3設計中頻段匹配電路 27
3.3.1 S參數模擬結果 27
3.3.2 輻射場型模擬結果 33
3.4 設計高頻段匹配電路 38
3.4.1 S參數模擬結果 38
3.4.2 輻射場型模擬結果 39
第四章 實測可重構頻段之金屬框天線 42
4.1 天線結構及量測機制 42
4.2 實測低頻段匹配電路 43
4.2.1 S參數實測結果 43
4.2.2 輻射場型及效率 47
4.3 設計中頻段匹配電路 52
4.3.1 S參數實測結果 52
4.3.2 輻射場型及效率 55
4.4實測高頻段匹配電路 59
4.4.1 S參數實測結果 59
第五章 結論與未來展望 63
參考文獻 65


表目錄

表3.1 結合七組匹配電路之低頻帶共振頻率之整理表。 22
表3.2 結合中頻段五種結構變化上之整理表。 33
表3.3 實測阻抗匹配電路與S11總整理表。 41
表4.1 實測低頻匹配電路與S11之整理表。 47
表4.2 實測中頻段匹配電路與S11之整理表。 55
表4.3 實測阻抗匹配電路與S11總整理表。 62
表5.1 本篇論文與其他論文之比較 63


圖目錄

圖2.1 傳統偶極天線示意圖。 4
圖2.2 傳統偶極天線之輻射場型圖。 5
圖2.3 環型天線之演進圖。 6
圖2.4 方形環形天線的電流方向及電流大小分布圖。 7
圖3.1 原始金屬邊框天線結構圖。 11
圖3.2 模擬金屬邊框天線不同參數L之S11圖。 12
圖3.3 模擬原始金屬邊框天線之S11圖。 13
圖3.4 模擬原始金屬邊框天線在860 MHz之電流分佈圖。 14
圖3.5 模擬原始金屬邊框天線史密斯圖(標示為860 MHz)。 14
圖3.6 模擬原始金屬邊框天線在3.05 GHz之電流分佈圖。 15
圖3.7 模擬原始金屬邊框天線史密斯圖(標示為3.05 GHz)。 15
圖3.8 模擬第一組匹配電路之S11圖。 17
圖3.9 模擬第二組匹配電路之S11圖。 17
圖3.10 模擬第三組匹配電路之S11圖。 18
圖3.11 模擬第四組匹配電路之S11圖。 19
圖3.12 模擬第五組匹配電路之S11圖。 19
圖3.13 模擬第六組匹配電路之S11圖。 20
圖3.14 模擬第七組匹配電路之S11圖。 20
圖3.15 結合七組匹配電路之低頻帶共振頻率之S11圖。 21
圖3.16 金屬框天線在717 MHz之模擬3D輻射場型圖:(a)x-y平面; (b)x-z平面;(b)x-z平面;(c)y-z平面;(d)天線所使用之座標。 23
圖3.17 金屬框天線在742 MHz之模擬3D輻射場型圖:(a)x-y平面;(b)x-z平面;(b)x-z平面;(c)y-z平面;(d)天線所使用之座標。 23
圖3.18 金屬框天線在770 MHz之模擬3D輻射場型圖:(a)x-y平面;(b)x-z平面;(b)x-z平面;(c)y-z平面;(d)天線所使用之座標。 24
圖3.19 金屬框天線在810 MHz之模擬3D輻射場型:(a)x-y平面;(b)x-z平面;(b)x-z平面;(c)y-z平面;(d)天線所使用之座標。 25
圖3.20 金屬框天線在858 MHz之模擬3D輻射場型圖:(a)x-y平面;(b)x-z平面;(b)x-z平面;(c)y-z平面;(d)天線所使用之座標。 25
圖3.21 金屬框天線在896 MHz之模擬3D輻射場型圖:(a)x-y平面;(b)x-z平面;(b)x-z平面;(c)y-z平面;(d)天線所使用之座標。 26
圖3.22 金屬框天線在943 MHz之模擬3D輻射場型圖:(a)x-y平面;(b)x-z平面;(b)x-z平面;(c)y-z平面;(d)天線所使用之座標。 26
圖3.23 模擬第六組匹配電路之S11圖。 28
圖3.24 模擬第七組匹配電路之S11圖。 29
圖3.25 模擬第八組可重構接地配置之S11圖。 30
圖3.26 模擬第八組可重構接地配置之電流分佈圖。 30
圖3.27 模擬第九組可重構接地配置之S11圖。 31
圖3.28 模擬第九組可重構接地配置之電流分佈圖。 32
圖3.29 結合中頻段五種結構變化上之S11圖。 33
圖3.30 金屬框天線在1.75 GHz之模擬3D輻射場型圖:(a)x-y平面;(b)x-z平面;(b)x-z平面;(c)y-z平面;(d)天線所使用之座標。 34
圖3.31 金屬框天線在1.87 GHz之模擬3D輻射場型圖:(a)x-y平面;(b)x-z平面;(b)x-z平面;(c)y-z平面;(d)天線所使用之座標。 34
圖3.32 金屬框天線在2.19 GHz之模擬3D輻射場型圖:(a)x-y平面;(b)x-z平面;(b)x-z平面;(c)y-z平面;(d)天線所使用之座標。 35
圖3.33 金屬框天線在2.4 GHz之模擬3D輻射場型圖:(a)x-y平面;(b)x-z平面;(b)x-z平面;(c)y-z平面;(d)天線所使用之座標。 35
圖3.34 金屬框天線在2.63 GHz之模擬3D輻射場型圖:(a)x-y平面;(b)x-z平面;(b)x-z平面;(c)y-z平面;(d)天線所使用之座標。 36
圖3.35 金屬框天線在3.32 GHz之模擬3D輻射場型圖:(a)x-y平面;(b)x-z平面;(b)x-z平面;(c)y-z平面;(d)天線所使用之座標。 37
圖3.36 金屬框天線在3.9 GHz之模擬3D輻射場型圖:(a)x-y平面;(b)x-z平面;(b)x-z平面;(c)y-z平面;(d)天線所使用之座標。 37
圖3.37 模擬第十組匹配電路之S11圖。 38
圖3.38 模擬第十組可重構接地配置之電流分佈圖。 39
圖3.39 模擬輻射場型在5.36 GHz在:(a)x-y平面;(b)x-z平面; (c)y-z平面;(c)y-z平面;(d)天線所使用之座標。 40
圖4.1 金屬框天線實作結構圖。 42
圖4.2 遠場量測系統Atenlab OTA 800量測環境。 43
圖4.3 實測原始金屬邊框天線低頻之S11圖。 44
圖4.4 實測第一組匹配電路之S11圖。 44
圖4.5 實測第二組匹配電路之S11圖。 45
圖4.6 實測第四組匹配電路之S11圖。 46
圖4.7 結合原始金屬框天線及三組匹配電路之低頻帶共振頻率之實測S11圖。 46
圖4.8 金屬框天線在715 MHz之實測3D輻射場型圖:(a)x-y平面;(b)x-z平面 (b)x-z平面;(c)y-z平面;(d)天線所使用之座標。 47
圖4.9 金屬框天線在740 MHz之實測3D輻射場型圖:(a)x-y平面;(b)x-z平面;(b)x-z平面;(c)y-z平面;(d)天線所使用之座標。 48
圖4.10 金屬框天線在770 MHz之實測3D輻射場型圖:(a)x-y平面;(b)x-z平面;(b)x-z平面;(c)y-z平面;(d)天線所使用之座標。 49
圖4.11 金屬框天線在810 MHz之實測3D輻射場型圖:(a)x-y平面;(b)x-z平面;(b)x-z平面;(c)y-z平面;(d)天線所使用之座標。 49
圖4.12 金屬框天線在860 MHz之實測3D輻射場型圖:(a)x-y平面;(b)x-z平面;(b)x-z平面;(c)y-z平面;(d)天線所使用之座標。 50
圖4.13 金屬框天線在894 MHz之實測3D輻射場型圖:(a)x-y平面;(b)x-z平面;(b)x-z平面;(c)y-z平面;(d)天線所使用之座標。 50
圖4.14 金屬框天線在940 MHz之實測3D輻射場型圖:(a)x-y平面;(b)x-z平面;(b)x-z平面;(c)y-z平面;(d)天線所使用之座標。 51
圖4.15 實測低頻段輻射增益與效率圖。 51
圖4.16 實測原始金屬邊框天線中頻之S11圖。 52
圖4.17 實測第五組匹配電路之S11圖。 53
圖4.18 實測第六組匹配電路之S11圖。 54
圖4.19 結合原始金屬框天線及兩組匹配電路之中頻帶共振頻率之實測S11圖。 54
圖4.20 金屬框天線在1.75 GHz之實測3D輻射場型圖:(a)x-y平面;(b)x-z平面;(b)x-z平面;(c)y-z平面;(d)天線所使用之座標。 55
圖4.21 金屬框天線在1.88 GHz之實測3D輻射場型圖:(a)x-y平面;(b)x-z平面;(b)x-z平面;(c)y-z平面;(d)天線所使用之座標。 56
圖4.22 金屬框天線在2.17 GHz之實測3D輻射場型圖:(a)x-y平面;(b)x-z平面;(b)x-z平面;(c)y-z平面;(d)天線所使用之座標。 56
圖4.23 金屬框天線在2.4 GHz之實測3D輻射場型圖:(a)x-y平面;(b)x-z平面;(b)x-z平面;(c)y-z平面;(d)天線所使用之座標。 57
圖4.24 金屬框天線在2.63 GHz之實測3D輻射場型圖:(a)x-y平面;(b)x-z平面;(b)x-z平面;(c)y-z平面;(d)天線所使用之座標。 57
圖4.25 金屬框天線在3.35 GHz之實測3D輻射場型圖:(a)x-y平面;(b)x-z平面;(b)x-z平面;(c)y-z平面;(d)天線所使用之座標。 58
圖4.26 金屬框天線在3.85 GHz之實測3D輻射場型圖:(a)x-y平面;(b)x-z平面;(b)x-z平面;(c)y-z平面;(d)天線所使用之座標。 58
圖4.27 實測中頻段輻射增益與效率圖。 59
圖4.28 實測第七組匹配電路之S11圖。 60
圖4.29 金屬框天線在5.36 GHz之實測3D輻射場型圖:(a)x-y平面;(b)x-z平面;(b)x-z平面;(c)y-z平面;(d)天線所使用之座標。 60
圖4.30 實測高頻段輻射增益與效率圖。 61


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