多頻帶圓形單極天線之研製

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胡萬璁(Wan-tsung Hu) 查詢紙本館藏

畢業系所

電機工程學系

論文名稱

多頻帶圓形單極天線之研製
(Design and Fabrication of Multiband Planar Disk Monopole Antennas)

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摘要(中)

本論文研製一個具有多頻帶圓形單極天線。天線結構包含一個微帶線饋入之圓形單極天線和寄生的金屬環狀金屬結構及槽孔結構。圓形單極天線為一寬頻天線，天線設計上利用結構之多重路徑（multi-path）效應，產生較傳統單極天線更寬之操作頻帶。本文所提出之多頻帶天線設計，乃利用圓形單極天線之寬頻特性結合寄生環狀金屬及槽孔結構之共振效應，形成多個操作頻帶。本論文中將利用上述原理設計操作於三頻帶與四頻帶之天線。其中，三頻帶天線之操作頻帶分別為2.4至2.69 GHz（802.11、802.11b、802.11g、802.11n、WiMAX）, 3.4至3.69 GHz（WiMAX），以及5.15至5.85 GHz（802.11a、WiMAX）。四頻帶天線之操作頻帶分別為824至960MHz （GSM850、GSM900），1.71至2.69 GHz （GSM1800、GSM1900、UMTS、802.11、802.11b、802.11g、802.11n、WiMAX），3.4至3.69 GHz（WiMAX），以及5.15至5.85 GHz（802.11a、WiMAX）。所設計之天線經由實作量測驗證，模擬與量測之操作頻寬與輻射特性一致。所提出之天線可應用於多頻帶無線通訊系統之收發天線。

摘要(英)

The design and analysis of multiband planar disk monopole antenna are presented. The proposed antenna structure consists of a microstrip fed disk monopole and parasitic rings and slots. Technically, the proposed antenna design exploits the broadband characteristic of the disk monopole, and multiple operation bands are achieved by incorporating parasitic resonator elements into the antenna structure. The unwanted operating frequencies associated with the disk monopole are eliminated through the band notches attributed to the resonance of the parasitic elements. Compared to past multiple-band antenna designs, the proposed antenna design is relatively straightforward and the antenna structure is planar in nature. Two antennas are demonstrated for experimental verification. One is of operating frequencies from 2.4 to 2.69 GHz, 3.4 to 3.69 GHz, and 5.15 to 5.85 GHz. The other is of operating frequencies from 824 to 915MHz, 1.71 to 2.69 GHz, 3.4 to 3.69 GHz, and 5.15 to 5.85 GHz. The measured and simulated results of both demonstrated antennas are in good agreement. The proposed antenna design can be employed for realization of the transceiving antennas of multiband wireless communication systems

關鍵字(中)

★ 多頻帶
★ 天線

關鍵字(英)

★ multiband
★ antenna

論文目次

目錄
摘要 i
Abstract ii
圖目錄 iv
表目錄 vii
第一章緒論 1
1.1研究動機 1
1.2文獻回顧 1
1.3論文提要 2
第二章天線原理及應用 3
2.1微帶傳輸線結構 3
2.2天線原理 4
2.3天線特性及設計流程 10
2.4天線結構設計 12
第三章多頻帶圓形單極微帶天線結構與分析 13
3.1寬頻天線結構與參數分析 13
3.1.1圓形金屬片半徑之分析 15
3.1.2圓形金屬片和接地面間距之分析 16
3.2寄生共振結構特性與分析 17
3.2.1環狀金屬結構分析 17
3.2.2槽孔結構分析 30
3.2.3彎折槽孔結構分析 35
第四章三頻帶天線設計 49
4.1設計動機 49
4.2設計步驟 51
4.3實作與量測 61
第五章四頻帶天線設計 67
5.1設計動機 67
5.2設計步驟 68
5.3實作與量測 80
第六章結論 88
參考文獻 89
附錄 92
圖目錄
圖 2- 1微帶線的三維結構圖 3
圖 2- 2微帶線橫截面的電磁力線分佈 4
圖 2- 3四分之一波長單極天線接地面等效映像法 5
圖 2- 4（a）半波長與四分之一波長電場切面（b）半波長與四分之一波長磁場切面（c）半波長與四分之一波長立體輻射場型 9
圖 2- 5無線通訊傳播示意圖 10
圖 3- 1圓形金屬片電流路徑 14
圖 3- 2微帶圓形金屬片單極天線基本架構[12] 14
圖 3- 3圓形金屬片半徑大小對折返損耗的影響 15
圖 3- 4圓形金屬片和接地面間距h對折返損耗的影響 16
圖 3- 5環狀金屬結構 18
圖 3- 6折返損耗 18
圖 3- 7天線金屬在寄生共振頻率時的表面電流分布（3GHz） 19
圖 3- 8（a）阻抗實部（b）阻抗虛部 20
圖 3- 9環狀金屬結構和圓形金屬片的間距g 21
圖 3- 10折返損耗 21
圖 3- 11（a）阻抗實部（b）阻抗虛部 22
圖 3- 12環狀金屬結構寬度k 23
圖 3- 13折返損耗 23
圖 3- 14（a）阻抗實部（b）阻抗虛部 24
圖 3- 15環狀金屬結構擺放位置 26
圖 3- 16折返損耗 26
圖 3- 17（a）阻抗實部（b）阻抗虛部 27
圖 3- 18加入環狀金屬結構前後之xy切面（電場切面）場型 28
圖 3- 19加入環狀金屬結構前後之xz切面（磁場切面）場型 29
圖 3- 20槽孔結構 30
圖 3- 21折返損耗 31
圖 3- 22天線金屬在寄生共振頻率時的表面電流分布 31
圖 3- 23（a）阻抗實部（b）阻抗虛部 32
圖 3- 24加入槽孔結構前後之xy切面（電場切面）場型 33
圖 3- 25加入槽孔結構前後之xz切面（磁場切面）場型 34
圖 3- 26彎折槽孔結構尺寸 36
圖 3- 27（a）彎折槽孔結構1（b）彎折槽孔結構2 36
圖 3- 28（a）阻抗實部（b）阻抗虛部 37
圖 3- 29彎折槽孔結構之電流分布 38
圖 3- 30折返損耗 38
圖 3- 31（a）阻抗實部（b）阻抗虛部 40
圖 3- 32折返損耗 40
圖 3- 33（a）阻抗實部（b）阻抗虛部 42
圖 3- 34折返損耗 42
圖 3- 35（a）阻抗實部（b）阻抗虛部 44
圖 3- 36折返損耗 44
圖 3- 37（a）阻抗實部（b）阻抗虛部 46
圖 3- 38折返損耗 46
圖 3- 39加入彎折槽孔結構前後之xy切面（電場切面）場型 47
圖 3- 40加入彎折槽孔結構前後之xz切面（磁場切面）場型 48
圖 4- 1圓形金屬片半徑 51
圖 4- 2折返損耗 52
圖 4- 3（a）無環狀金屬結構（b）有環狀金屬結構（c）折返損耗 53
圖 4- 4（a）無槽孔結構（b）有槽孔結構（c）折返損耗 55
圖 4- 5（a）無T型槽孔結構（b）有T型槽孔結構 57
圖 4- 6（a）無環狀金屬結構（b）有環狀金屬結構（c）折返損耗 58
圖 4- 7（a）環狀金屬結構*1（b）環狀金屬結構*2（c）折返損耗 59
圖 4- 8（a）無彎折槽孔結構（b）有彎折槽孔結構（c）折返損耗 61
圖 4- 9（a）天線正面（b）天線背面 62
圖 4- 10折返損耗 62
圖 4- 11三頻帶天線模擬與量測之最大增益及輻射效率 63
圖 4- 12 2.5GHz各切面之co-pol及X-pol 64
圖 4- 13 3.5GHz各切面之co-pol及X-pol 65
圖 4- 14 5.5GHz各切面之co-pol及X-pol 66
圖 5- 1圓形金屬片半徑 69
圖 5- 2折返損耗 69
圖 5- 3（a）無漸進接地面（b）有漸進接地面 71
圖 5- 4（a）圓形金屬片無槽孔結構（b）圓形金屬片有槽孔結構（c）折返損耗 72
圖 5- 5（a）無環狀金屬結構（b）有環狀金屬結構（c）折返損耗 74
圖 5- 6（a）環狀金屬結構*1（b）環狀金屬結構*2（c）折返損耗 75
圖 5- 7（a）無T型槽孔結構（b）有T型槽孔結構（c）折返損耗 77
圖 5- 8（a）無彎折槽孔結構（b）有彎折槽孔結構（c）折返損耗 80
圖 5- 9（a）天線正面（b）天線背面 81
圖 5- 10折返損耗 81
圖 5- 11四頻帶天線模擬與量測之最大增益及輻射效率 83
圖 5- 12 890MHz各切面之co-pol及X-pol 84
圖 5- 13 2.14GHz各切面之co-pol及X-pol 85
圖 5- 14 3.5GHz各切面之co-pol及X-pol 86
圖 5- 15 5.5GHz各切面之co-pol及X-pol 87

表目錄
表 2- 1天線設計流程 11
表 2- 2天線基板規格 12
表 3- 1環狀金屬結構各個擺放位置比較圖 25
表 3- 2 L2和寄生共振頻率的關係 39
表 3- 3 W2和寄生共振頻率的關係 41
表 3- 4 W3和寄生共振頻率的關係 43
表 3- 5 D和寄生共振頻率的關係 45
表 4- 1無線網路所使用之頻帶之介紹 50
表 4- 2天線欲設計之頻帶 50
表 4- 3三頻帶天線量測之最大增益 63
表 5- 1手機常用頻帶 67
表 5- 2天線欲設計之頻帶 68
表 5- 3四頻帶天線量測之最大增益 83

參考文獻

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指導教授

陳念偉(Nan-wei Chen)

審核日期

2009-7-22

推文