臺灣博碩士論文加值系統

摘要

本論文之研究目的為開發適用於Sub-1GHz的陣列天線，包含應用於IEEE 802.11ah (HaLow)與IEEE 802.15.4g (智慧公用網路，Smart Utility Networks) 之單元天線與陣列天線。天線結構以貼片天線為設計基礎，經模擬驗證後，實作在玻璃纖維介質(FR-4)的印刷電路板(Printed circuit board，PCB)，具有結構簡單、容易製造與成本便宜的優點。

首先是Sub-1GHz單元天線設計，使用方形貼片結合微帶線的簡單結構，藉由調整插入式饋入點的狹縫寬度、天線面挖溝槽與在天線下緣加入輔助貼片等方式，嘗試增強天線增益。單元天線整體尺寸126.9×109.7mm2，S11小於-10dB的頻段範圍為912~927MHz。

採用前述的單元天線作為基礎，延伸探討Sub-1GHz二單元陣列天線的並聯與串聯陣列配置，並針對連結單元天線的傳輸線調整阻抗匹配。並聯陣列天線整體尺寸107.9×242.1mm2，S11小於-10dB的頻段範圍920~929MHz。串聯陣列天線整體尺寸215.8×109.7mm2，S11小於 -10dB的頻段範圍907~928MHz。

延伸探討Sub-1GHz四單元陣列天線的並聯、串聯與串並聯陣列配置。並聯陣列天線整體尺寸215.8×242.1mm2，S11小於 -10dB的頻段範圍937~954MHz。串聯陣列天線整體尺寸431.6×109.7mm2，模擬時S11小於 -10dB的頻段範圍916~937MHz。串並聯陣列天線整體尺寸215.8×242.1mm2，模擬最大增益為4.36dBi，實測最大增益為4.09dBi，S11小於 -10dB的頻段範圍896~953MHz。其中四單元串並聯陣列天線符合915MHz頻段。

本論文提出之適用於Sub-1GHz陣列天線具有良好電氣特性，符合915MHz頻段，可應用HaLow與智慧公用網路。

ABSTRACT

The thesis proposes array antennas of Sub-1GHz, including an elemental antenna and array antenna applied to IEEE 802.11ah (HaLow) and IEEE 802.15.4g (Smart Utility Networks). The design of antenna based on the structure of patch antenna with simulation verification. The antennas fabricated on the fiberglass (FR-4) printed circuit board (PCB) demonstrate the advantages on simple structure, easy manufacture and low cost.

The design of Sub-1GHz elemental antenna adopted a simple structure of a square patch plus microstrip line. Three methods (i.e. inset feeding width (IFW), additional slots on patch plane, and plus lower edge assisted patch) were used to improve the peak gain of elemental antenna. The size of proposed elemental antenna is 126.9 × 109.7mm2. The measured S11 can be less than -10dB for 912~927MHz.

The Sub-1GHz two-element array antenna applied two proposed elemental antennas with the parallel or series configuration. The impedance matching between elemental antennas was adjusted to enhance the performance of array antenna. The array size of parallel configuration is 107.9×242.1mm2. The measured S11 can be less than -10dB for 920~929MHz band. The array size of series configuration is 215.8×109.7mm2. The measured S11 less than -10dB for 907~928MHz band.

The Sub-1GHz four-element array antenna was revealed configurations of parallel, series and series-parallel. The impedance match between elemental antennas was adjusted to enhance the performance of array antenna. The array size of parallel configuration is 215.8×242.1mm2. and the S11 less than -10dB for 937~954MHz. The array size of the series configuration is 431.6×109.7mm2. and the simulated S11 less than -10dB for 916~937MHz. The array size of the series-parallel configuration is 215.8× 242.1mm2. The simulated peak gain is 4.36dBi. The measured peak gain is 4.09dBi. and the measured S11 less than -10dB for 896~953MHz. The four-element array antenna with series-parallel configuration discloses a larger peak gain and fits the using for the band of 915MHz.

The proposed array antenna in this thesis meets the request of Sub-1GHz and submit the band applications of 915MHz, e.g. HaLow and Smart Utility Networks.

目錄
指導教授推薦書…………………………………………………………………… i
口試委員會審定書………………………………………………………………… ii
誌謝………………………………………………………………………………… iii
中文摘要…………………………………………………………………………… iv
ABSTRACT………………………………………………………………………… v
目錄………………………………………………………………………………… vi
表目錄……………………………………………………………………………… ix
圖目錄……………………………………………………………………………… x
第一章　序論……………………………………………………………………… 1
1.1研究背景………………………………………………………………… 1
1.2論文架構………………………………………………………………… 3
第二章　傳輸線與天線的基本特性……………………………………………… 4
2.1概述……………………………………………………………………… 4
2.2傳輸線…………………………………………………………………… 4
2.3天線的基礎概念………………………………………………………… 5
2.4天線的電氣參數………………………………………………………… 6
2.4.1 反射係數…………………………………………………………… 6
2.4.2輻射場型…………………………………………………………… 8
2.4.3指向性與增益……………………………………………………… 9
2.5貼片天線………………………………………………………………… 10
2.6陣列天線………………………………………………………………… 13
2.6.1陣列因子…………………………………………………………… 13
2.6.2傳輸線設計………………………………………………………… 15
第三章　天線設計流程與實作量測……………………………………………… 16
3.1設計流程………………………………………………………………… 16
3.2天線實作………………………………………………………………… 17
3.2.1 FR-4銅箔基板…………………………………………………… 18
3.2.2 SMA接頭………………………………………………………… 19
3.2.3電路板雕刻機……………………………………………………… 20
3.3天線量測………………………………………………………………… 21
3.3.1向量網路分析儀…………………………………………………… 21
3.3.2無反射室…………………………………………………………… 21
第四章　Sub-1GHz單元天線…………………………………………………… 24
4.1概述……………………………………………………………………… 24
4.2天線設計………………………………………………………………… 24
4.3插入式饋入點狹縫寬度調整…………………………………………… 27
4.4輔助溝槽………………………………………………………………… 32
4.5輔助貼片………………………………………………………………… 36
4.6模擬與實作比較………………………………………………………… 38
4.7小結……………………………………………………………………… 43
第五章　二單元陣列天線……………………………………………………… 45
5.1概述……………………………………………………………………… 45
5.2陣列天線設計…………………………………………………………… 45
5.2.1並聯陣列…………………………………………………………… 45
5.2.1.1調整傳輸線長度(L100)…………………………………………… 47
5.2.2串聯陣列…………………………………………………………… 51
5.2.2.1調整傳輸線寬度(W100)………………………………………… 53
5.3並聯陣列與串聯陣列比較……………………………………………… 59
5.4模擬與實作比較………………………………………………………… 60
5.5小結…………………………………………………………………… 65
第六章　四單元陣列天線………………………………………………………… 66
6.1概述……………………………………………………………………… 66
6.2四單元陣列設計………………………………………………………… 66
6.2.1四單元並聯陣列…………………………………………………… 66
6.2.2四單元串聯陣列…………………………………………………… 70
6.2.3四單元串並聯陣列………………………………………………… 74
6.2.3.1調整傳輸線長度(L100)………………………………………… 76
6.2.3.2調整傳輸線寬度(W100)………………………………………… 78
6.3並聯陣列、串聯陣列與串並聯陣列比較……………………………… 80
6.4模擬與實作比較………………………………………………………… 82
6.5小結……………………………………………………………………… 91
第七章　結論……………………………………………………………………… 95
參考文獻……………………………………………………………………….… 96
 
表目錄
表1.1通訊標準工作頻段………………………………………………………… 2
表2.1 基本電磁物理量定義表…………………………………………………… 6
表2.2 馬克斯威爾方程式………………………………………………………… 6
表3.1 天線代號表……………………………………………………………… 17
表3.2 本論文模擬所使用FR-4基板參數…………………………………… 18
表3.3 FR-4基板(NP-140TL)之詳細參數…………………………………… 18
表3.4 SMA接頭詳細參數…………………………………………………… 19
表4.1變化參數列表…………………………………………………………… 24
表4.2 1a單元天線的規格參數……………………………………………… 25
表4.3 1c單元天線的溝槽參數……………………………………………… 32
表4.4模擬單元天線電氣特性比較…………………………………………… 43
表4.5實作單元天線電氣特性比較…………………………………………… 44
表5.1二單元陣列天線的模擬電氣特性比較………………………………… 59
表5.2二單元陣列天線的實作電氣特性比較………………………………… 65
表6.1四單元陣列天線的模擬電氣特性比較(並聯、串聯)………………… 80
表6.2四單元陣列天線的模擬電氣特性比較(串並聯)……………………… 81
表6.3四單元陣列天線的實作電氣特性比較(並聯、串聯)………………… 91
表6.4四單元陣列天線的實作電氣特性比較(串並聯)……………………… 92
 
圖目錄
圖1.1低功耗廣域網路(LPWAN)示意圖…………………………………… 1
圖2.1微帶線幾何結構……………………………………………………… 4
圖2.2微帶線電磁場分佈…………………………………………………… 4
圖2.3天線的訊號傳播現象………………………………………………… 5
圖2.4電磁波的入射、反射與穿透現象…………………………………… 7
圖2.5量測散射係數方式示意圖…………………………………………… 7
圖2.6反射係數、反射損失、電壓駐波比與散射係數關聯圖…………… 8
圖2.7輻射場型示意圖……………………………………………………… 8
圖2.8貼片天線橫截面……………………………………………………… 10
圖2.9偶極天線電磁場分佈………………………………………………… 10
圖2.10貼片天線電磁場分佈………………………………………………… 10
圖2.11貼片天線的饋入方式示意圖………………………………………… 11
圖2.12貼片天線的特徵尺寸………………………………………………… 12
圖2.13陣列天線的間距示意圖……………………………………………… 13
圖2.14陣列天線輻射場型的向量和示意圖………………………………… 14
圖2.15陣列天線的指向性示意圖…………………………………………… 14
圖2.16頻率915MHz時的50Ω微帶線…………………………………… 15
圖2.17頻率915MHz時的100Ω微帶線…………………………………… 15
圖3.1天線設計流程圖……………………………………………………… 16
圖3.2 SMA-05-1規格圖…………………………………………………… 19
圖3.3電路板雕刻機………………………………………………………… 20
圖3.4雕刻刀具組…………………………………………………………… 20
圖3.5 Agilent 5071c向量網路分析儀……………………………………… 21
圖3.6 ETS-LINDGERN無反射室內部與發射天線………………………… 22
圖3.7治具上的待測天線(a) 1d單元天線……………………………… 22
圖3.7治具上的待測天線(b) 2Sb陣列天線…………………………… 22
圖3.7治具上的待測天線(c) 2SPb陣列天線…………………………… 23
圖3.7治具上的待測天線(d) 2SPc陣列天線…………………………… 23
圖3.8量測系統架構示意圖……………………………………………… 23
圖4.1 1a單元天線的結構(a)天線面、(b)接地面……………………… 24
圖4.1 1a單元天線的結構(c)天線面局部放大圖……………………… 25
圖4.2 1a單元天線的模擬S11…………………………………………… 26
圖4.3 1a單元天線的模擬3D場型與增益……………………………… 26
圖4.4 1b單元天線的結構與局部放大圖………………………………… 27
圖4.5 1b單元天線的模擬S11…………………………………………… 27
圖4.6 IFW寬1.60mm的1b單元天線模擬3D場型與增益………… 28
圖4.7 IFW寬0.80mm的1b單元天線模擬3D場型與增益………… 28
圖4.8 IFW寬0.40mm的1b單元天線模擬3D場型與增益………… 29
圖4.9 IFW寬0.20mm的1b單元天線模擬3D場型與增益………… 29
圖4.10 IFW寬0.10mm的1b單元天線模擬3D場型與增益………… 30
圖4.11 IFW寬0.05mm的1b單元天線模擬3D場型與增益………… 30
圖4.12 IFW寬0.00mm的1b單元天線模擬3D場型與增益………… 31
圖4.13 1c單元天線的溝槽結構與局部放大圖…………………………… 32
圖4.14 1c單元天線的溝槽結構(a)單溝槽……………………………… 33
圖4.14 1c單元天線的溝槽結構(b)雙溝槽……………………………… 33
圖4.14 1c單元天線的溝槽結構(c)三溝槽……………………………… 33
圖4.14 1c單元天線的溝槽結構(d)四溝槽……………………………… 33
圖4.15 1c單元天線的模擬S11…………………………………………… 33
圖4.16 1c(單溝槽)單元天線的模擬3D場型與增益…………………… 34
圖4.17 1c(雙溝槽)單元天線的模擬3D場型與增益…………………… 34
圖4.18 1c(三溝槽)單元天線的模擬3D場型與增益…………………… 35
圖4.19 1c(四溝槽)單元天線的模擬3D場型與增益…………………… 35
圖4.20 1d單元天線與局部放大圖………………………………………… 36
圖4.21 1d單元天線的模擬S11…………………………………………… 36
圖4.22 1d單元天線的模擬3D場型與增益……………………………… 37
圖4.23 1a單元天線的實作(a)天線面、(b)接地面………………………… 38
圖4.24 1a單元天線的模擬與實作S11比較……………………………… 38
圖4.25 1b單元天線的實作(a)天線面、(b)接地面………………………… 39
圖4.26 1b單元天線的模擬與實作S11比較……………………………… 39
圖4.27 1c單元天線的實作(a)天線面、(b)接地面………………………… 40
圖4.28 1c單元天線的模擬與實作S11比較……………………………… 40
圖4.29 1d單元天線的實作(a)天線面、(b)接地面………………………… 41
圖4.30 1d單元天線的模擬、實作S11與實作增益比較………………… 41
圖4.31 1d單元天線在916MHz時的實測輻射場型(直角坐標)………… 42
圖4.32 1d單元天線在916MHz時的實測輻射場型(極坐標)…………… 42
圖4.33單元天線的模擬S11比較………………………………………… 43
圖4.34單元天線的實作S11比較………………………………………… 44
圖5.1 2Pa陣列天線…………………………………………………………… 45
圖5.2 2Pa陣列天線的模擬S11……………………………………………… 46
圖5.3 2Pa陣列天線的模擬3D場型與增益……………………………… 46
圖5.4 2Pb陣列天線與局部放大圖………………………………………… 47
圖5.5 2Pb陣列天線的模擬S11…………………………………………… 47
圖5.6 L100長19.5 mm的2Pb陣列天線模擬3D場型與增益……… 48
圖5.7 L100長20.5 mm的2Pb陣列天線模擬3D場型與增益……… 48
圖5.8 L100長21.5 mm的2Pb陣列天線模擬3D場型與增益……… 49
圖5.9 L100長22.5 mm的2Pb陣列天線模擬3D場型與增益……… 49
圖5.10 L100長23.5 mm的2Pb陣列天線模擬3D場型與增益……… 50
圖5.11 L100長24.5 mm的2Pb陣列天線模擬3D場型與增益……… 50
圖5.12 2Sa陣列天線與局部放大圖………………………………………… 51
圖5.13 2Sa陣列天線的模擬S11…………………………………………… 52
圖5.14 2Sa陣列天線的模擬3D場型與增益……………………………… 52
圖5.15 2Sb陣列天線與局部放大圖………………………………………… 53
圖5.16 2Sb陣列天線的模擬S11比較……………………………………… 54
圖5.17 W100寬0.6mm，2Sb陣列天線的模擬3D場型與增益………… 54
圖5.18 W100寬0.7mm，2Sb陣列天線的模擬3D場型與增益………… 55
圖5.19 W100寬0.8mm，2Sb陣列天線的模擬3D場型與增益………… 55
圖5.20 W100寬0.9mm，2Sb陣列天線的模擬3D場型與增益………… 56
圖5.21 W100寬1.0mm，2Sb陣列天線的模擬3D場型與增益………… 56
圖5.22 W100寬1.1mm，2Sb陣列天線的模擬3D場型與增益………… 57
圖5.23 W100寬1.2mm，2Sb陣列天線的模擬3D場型與增益………… 57
圖5.24 W100寬1.3mm，2Sb陣列天線的模擬3D場型與增益………… 58
圖5.25 W100寬1.4mm，2Sb陣列天線的模擬3D場型與增益………… 58
圖5.26 二單元陣列天線的模擬S11比較…………………………………… 59
圖5.27 2Pa陣列天線的(a)天線面、(b)接地面…………………………… 60
圖5.28 2Pa陣列天線的模擬與實作S11比較……………………………… 60
圖5.29 2Pb陣列天線的(a)天線面、(b)接地面…………………………… 61
圖5.30 2Pb陣列天線的模擬與實作S11比較……………………………… 61
圖5.31 2Sa陣列天線的(a)天線面、(b)接地面……………………………… 62
圖5.32 2Sa陣列天線的模擬與實作S11比較……………………………… 62
圖5.33 2Sb陣列天線的(a)天線面、(b)接地面……………………………… 63
圖5.34 2Sb陣列天線的模擬、實作S11與實作增益比較………………… 63
圖5.35 2Sb陣列天線在916MHz時的實測輻射場型(直角坐標)………… 64
圖5.36 2Sb陣列天線在916MHz時的實測輻射場型(極坐標)…………… 64
圖5.37二單元陣列天線的實作S11比較……………………………………… 65
圖6.1 4Pa陣列天線………………………………………………………… 66
圖6.2 4Pa陣列天線的模擬S11…………………………………………… 67
圖6.3 4Pa陣列天線的模擬3D場型與增益……………………………… 67
圖6.4 4Pb陣列天線與局部放大圖………………………………………… 68
圖6.5 4Pb陣列天線的模擬S11…………………………………………… 69
圖6.6 4Pb陣列天線的模擬3D場型與增益……………………………… 69
圖6.7 4Sa陣列天線………………………………………………………… 70
圖6.8 4Sa陣列天線的模擬S11…………………………………………… 71
圖6.9 4Sa陣列天線的模擬3D場型與增益……………………………… 71
圖6.10 4Sb陣列天線與局部放大圖……………………………………… 72
圖6.11 4Sb陣列天線的模擬S11………………………………………… 73
圖6.12 4Sb陣列天線的模擬3D場型與增益…………………………… 73
圖6.13 4SPa陣列天線……………………………………………………… 74
圖6.14 4SPa陣列天線的模擬S11………………………………………… 75
圖6.15 4SPa陣列天線的模擬3D場型與增益…………………………… 75
圖6.16 4SPb陣列天線與局部放大圖……………………………………… 76
圖6.17 4SPb陣列天線的模擬S11………………………………………… 77
圖6.18 4SPb陣列天線的模擬3D場型與增益…………………………… 77
圖6.19 4SPc陣列天線與局部放大圖……………………………………… 78
圖6.20 4SPc陣列天線的模擬S11………………………………………… 79
圖6.21 4SPC陣列天線的模擬3D場型與增益…………………………… 79
圖6.22四單元陣列天線的模擬S11比較(並聯、串聯)………………………80
圖6.23四單元陣列天線的模擬S11比較(串並聯)……………………………81
圖6.24 4Pa陣列天線的(a)天線面、(b)接地面………………………………82
圖6.25 4Pa陣列天線的模擬與實作S11比較………………………………82
圖6.26 4Pb陣列天線的(a)天線面、(b)接地面………………………………83
圖6.27 4Pb陣列天線的模擬與實作S11比較………………………………83
圖6.28 4Sa陣列天線的(a)天線面、(b)接地面………………………………84
圖6.29 4Sa陣列天線的模擬與實作S11比較………………………………84
圖6.30 4Sb陣列天線的(a)天線面、(b)接地面………………………………85
圖6.31 4Sb陣列天線的模擬與實作S11比較………………………………85
圖6.32 4SPa陣列天線的(a)天線面、(b)接地面………………………………86
圖6.33 4SPa陣列天線的模擬與實作S11比較………………………………86
圖6.34 4SPb陣列天線的(a)天線面、(b)接地面………………………………87
圖6.35 4SPb陣列天線的模擬、實作S11與實作增益比較…………………87
圖6.36 4SPb陣列天線在916MHz時的實測輻射場型(直角坐標)…………88
圖6.37 4SPb陣列天線在916MHz時的實測輻射場型(極坐標)……………88
圖6.38 4SPc陣列天線的(a)天線面、(b)接地面………………………………89
圖6.39 4SPc陣列天線的模擬、實作S11與實作增益比較…………………89
圖6.40 4SPc陣列天線在916MHz時的實測輻射場型(直角坐標)…………90
圖6.41 4SPc陣列天線在916MHz時的實測輻射場型(極坐標)……………90
圖6.42四單元陣列天線的實作S11比較(並聯、串聯)………………………91
圖6.43四單元陣列天線的實作S11比較(串並聯)……………………………92
圖6.44單元天線與陣列天線的實作指向性比較………………………………93
圖6.45單元天線與陣列天線的實作效率比較…………………………………93
圖6.46單元天線與陣列天線的實作增益比較…………………………………94

參考文獻

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[24] D. Orban and G.J.K. Moernaut, “The Basics of Patch Antennas, Updated,” RF Globalnet newsletter, September. 2009, pp.1-20.

[25] John Dizon, “Strike Alpha Antenna Report,” Strike Group Australia, September. 2017, pp.1-6.