利用缺陷型接地結構之雙頻微型平面倒F天線設計

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姓名

蕭廣達(Kuang -Ta Hsiao) 查詢紙本館藏

畢業系所

電機工程學系在職專班

論文名稱

利用缺陷型接地結構之雙頻微型平面倒F天線設計
(Compact Dual-Band PIFA Using Defected Ground Structure)

相關論文

★ 應用於第三代行動電話之倒Ｆ天線設計	★ 使用寄生元件之平面式倒F型雙頻天線設計
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★ 利用缺陷地面共振電路之介質量測技術	★ 應用於藍芽與全球衛星定位系統之電抗性負載型雙頻槽孔天線
★ 帶通圓形極化頻率選擇面之設計	★ 啞鈴型缺陷地面之介質量測電路分析與設計
★ 雙頻圓極化微波極化器設計	★ 利用微小共振電路之多頻段天線設計
★ 應用於X-band平面吸波器之薄型負載電路設計	★ 應用於X-band平面吸波器之阻抗倒轉器設計

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摘要(中)

摘要
隨著行動通訊及半導體技術的進步，個人無線通訊產品亦日漸往小型輕薄化演
進，同時又因應各式行動通訊系統的發展及頻寬的要求、能支援多頻段系統，幾乎
所有的無線通訊產品，都需要一個更為小型的天線，更有效率的天線，使得傳輸與
接收信號時能有最佳化的性能。因此天線對於通訊產品性能的影響，具有舉足輕重
的地位。有鑑於此，研究探討如何有效設計一組合適的天線應用於現今無線通訊產
品上，有其非常之重要性。
本篇論文以專家學者之前發表在IEEE 的論文為基礎，加以改善面積大小使其
縮小為二分之一，高度由原來之7 mm 降低到4 mm，使其能夠符合現今行動通訊裝
置輕薄短小的要求。並且將原參考論文天線擺放的位置，從印刷電路板的正中央移
到印刷電路板的邊緣，以讓出更大的印刷電路板空間給其他功能的零件使用。由於
倒F 平面天線性能要好，最需要的是夠高的高度空間，而本論文為符合高度低且性
能佳，因此我們採用了缺陷接地結構(Defected Ground Structure，簡稱DGS)，此方
法可改善降低高度所帶來的影響，並可增加頻寬。本文針對前述所提的方法，提供
完整的HFSS 軟體模擬結果並配合實作驗證，其結果符合現今工業上之要求，證實
本論文之平面倒F 型雙頻天線是可用於實際商品上的。

摘要(英)

ABSTRACT
With continuing improvement on the mobile communication and semiconductor
technology, personal wireless communication products are getting compact. In the mean
time, with the enhancement of frequencies in use and the demand on broadband and
multi-frequency communication, every wireless communication product requires smaller
and more efficiency antennas to provide the better transmission and receiving of the
signal. Therefore, the design of the antenna will play a decisive role in the performance
of the wireless communication product. Based on this fact, the research work for
designing an efficient and appropriate antenna for the wireless communication product is
crucially important. This research is to reduce the size of the PIFA to half. The antenna
thickness will be reduced from 7mm to 3mm to achieve the demand of communication
device. Defected ground structure (abbreviated as DGS) has been used to improve PIFA
antenna bandwidth. Base on our research, the PIFA antenna experimental results are in
agreement with HFSS simulation.

關鍵字(中)

★ 天線
★ 雙頻
★ 平面倒F

關鍵字(英)

★ Dual Band
★ WiMax
★ Antenna
★ WLAN

論文目次

目錄
中文提要 ……………………………………………………………… i
英文提要 ……………………………………………………………… ii
誌謝 ……………………………………………………………… iii
目錄 ……………………………………………………………… iv
圖目錄 ……………………………………………………………… vi
表目錄 ……………………………………………………………… viii
第一章、序論………………………………………………………… 1
1-1 簡介………………………………………………………… 1
1-2 研究目的…………………………………………………… 1
1-3 論文架構…………………………………………………… 5
第二章、全球微波存取互通介面天線設計………………………… 6
2-1 全球微波存取互通介面系統介紹………………………… 6
2-2 全球微波存取互通介面的技術優勢……………………… 6
2-2-1 媒介存取控制層(MAC Layer): 全球微波存取互通介面
採排程策略…………………………………………………
7
2-2-2 實體層(Physical Layer)：全球微波存取互通介面採先
進SOFDMA…………………………………………………
8
2-2-3 全球微波存取互通介面的頻段分佈……………………… 9
2-3 倒F 型平面天線設計原理簡介…………………………… 11
2-3-1 平板天線(Patch Antenna)理論…………………………… 11
2-3-2 平板天線頻寬……………………………………………… 12
2-4 天線設計流程……………………………………………… 16
2-5 天線設計的尺寸及重要參數的調整討論………………… 18
2-5-1 初始設計…………………………………………………… 18
2-5-2 天線設計尺寸的決定過程………………………………… 22
2-5-3 缺陷型接地結構之變化對頻寬的討論影響……………… 26
2-5-3-1 缺陷型接地結構…………………………………………… 26
2-5-3-2 缺陷型接地結構之理論…………………………………… 27
2-6 最佳化天線模擬完成結果………………………………… 29
2-7 結論………………………………………………………… 31
第三章、天線實作及輻射場型之量測……………………………… 32
3-1 實作時注意事項…………………………………………… 32
3-2 天線量測結果與模擬的比較……………………………… 35
3-3 最大增益及輻射效率之模擬與實測比較………………… 46
3-4 結論………………………………………………………… 47
第四章、總結………………………………………………………… 48
v
參考文獻 ……………………………………………………………… 49
vi
圖目錄
圖1-1 論文[11]天線於印刷電路板之位置圖……………………… 2
圖1-2 論文[11]天線位置置於印刷電路板中央(a)與邊緣(b)
之迴授損失比較圖…………………………………………
2
圖1-3 論文[11]天線位置置於印刷電路板中央(a)、(b)、(c)
與邊緣(d)、(e)、(f)在2.4 GHz 時之輻射場型比較圖……
3
圖1-4 論文[11]天線位置置於印刷電路板中央(a)、(b)、(c)
與邊緣(d)、(e)、(f)在5 GHz 時之輻射場型比較圖………
5
圖2-1 OFDM 與OFDMA 的差異………………………………… 8
圖2-2 各通訊系統的頻譜分佈圖………………………………… 10
圖2-3 平板天線結構圖…………………………………………… 11
圖2-4 倒F 型平面天線從平板天線之演進圖…………………… 13
圖2-5 從微帶天線上F 點饋入訊號……………………………… 13
圖2-6 電壓及電流分布圖………………………………………… 14
圖2-7 微帶天線及磁流的分佈情形圖…………………………… 14
圖2-8 倒F 型平面天線結構圖…………………………………… 15
圖2-9 天線設計流程圖…………………………………………… 17
圖2-10 天線於印刷電路板之位置圖……………………………… 18
圖2-11 天線初始尺寸位置圖……………………………………… 19
圖2-12 接地面寬度不同時的S11 比較圖………………………… 20
圖2-13 饋入面與接地面間距離變化時的S11 比較圖…………… 20
圖2-14 (a)切割槽孔和(b)切除邊緣之電流路徑圖……………… 21
圖2-15 L 型溝槽尺寸圖…………………………………………… 22
圖2-16 以圖2-15 的尺寸模擬的S11 圖…………………………… 22
圖2-17 以圖2-15 之尺寸模擬在2.4 GHz 時的電流密度分佈圖… 23
圖2-18 做三個曲折結構時的尺寸圖……………………………… 23
圖2-19 以圖2-15 做不同數量的曲折結構在2.4 GHz 時的S11 變化圖 24
圖2-20 以圖2-15 的尺寸模擬在5 GHz 時之電流密度分佈圖… 24
圖2-21 在C 區做兩個曲折結構的尺寸圖………………………… 25
圖2-22 以圖2-18 在C 區作不同曲折結構數量在5 GHz 時的S11 變化圖 25
圖2-23 DGS 微帶線的基本結構…………………………………… 27
圖2-24 使用DGS 的區域位置尺寸圖，(a)上視圖，(b)下視圖… 28
圖2-25 以圖2-21 使用DGS 及未使用DGS 時的S11 比較圖…… 29
圖2-26 最佳化天線尺寸圖………………………………………… 29
圖2-27 最佳化天線之S11 圖……………………………………… 30
圖2-28 最佳化天線之2.45 GHz 電流密度分佈圖………………… 31
圖2-29 最佳化天線之5 GHz 電流密度分佈圖…………………… 31
vii
圖3-1 天線3D 尺寸展開圖……………………………………… 32
圖3-2 Agilent E5071B 的網路分析儀…………………………… 33
圖3-3 天線實作完成圖…………………………………………… 33
圖3-4 天線本體圖………………………………………………… 34
圖3-5 天線的高度圖……………………………………………… 34
圖3-6 模擬與實作S11 比較圖…………………………………… 35
圖3-7 SATIMO SG64 測試系統…………………………………… 36
圖3-8 XY 切平面之Theta 增益在2.45 GHz 時…………………… 37
圖3-9 XZ 切平面之Theta 增益在2.45 GHz 時…………………… 37
圖3-10 YZ 切平面之Theta 增益在2.45 GHz 時…………………… 38
圖3-11 XY 切平面之Phi 增益在2.45 GHz 時……………………… 38
圖3-12 XZ 切平面之Phi 增益在2.45 GHz 時……………………… 39
圖3-13 YZ 切平面之Phi 增益在2.45 GHz 時……………………… 39
圖3-14 XY 切平面之Theta 增益在5.5 GHz 時…………………… 40
圖3-15 XZ 切平面之Theta 增益在5.5 GHz 時…………………… 40
圖3-16 YZ 切平面之Theta 增益在5.5 GHz 時…………………… 41
圖3-17 XY 切平面之Phi 增益在5.5 GHz 時……………………… 41
圖3-18 XZ 切平面之Phi 增益在5.5 GHz 時……………………… 42
圖3-19 YZ 切平面之Phi 增益在5.5 GHz 時……………………… 42
圖3-20 不同角度的3D 輻射場型在2.45 GHz 時………………… 43
圖3-21 不同角度的3D 輻射場型在5.5 GHz 時…………………… 44
圖3-22 天線本體正下方之接地面耦合電流密度分佈在
2.45 GHz 時，下視圖………………………………………
45
圖3-23 天線本體正下方之接地面耦合電流密度分佈在
5.5 GHz 時，下視圖…………………………………………
45
viii
表目錄
表2-1 基板板材規格……………………………………………… 16
表3-1 最大增益及輻射效率之比較表…………………………… 46

參考文獻

參考文獻
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指導教授

丘增杰(Tsen-Chieh Chiu)

審核日期

2008-7-8

推文