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本論文電子全文於2008-08-06起於校外公開使用
本論文紙本於2008-08-06起公開使用
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| 系統識別號 | U0002-0408200816391900 |
|---|---|
| DOI | 10.6846/TKU.2008.00115 |
| 論文名稱(中文) | 共面波導饋入多分支單極天線特性研究 |
| 論文名稱(英文) | Characteristic of CPW Fed Multi-Branch Monopole Antenna |
| 第三語言論文名稱 | |
| 校院名稱 | 淡江大學 |
| 系所名稱(中文) | 電機工程學系碩士班 |
| 系所名稱(英文) | Department of Electrical and Computer Engineering |
| 外國學位學校名稱 | |
| 外國學位學院名稱 | |
| 外國學位研究所名稱 | |
| 學年度 | 96 |
| 學期 | 2 |
| 出版年 | 97 |
| 研究生(中文) | 崔逢叡 |
| 研究生(英文) | Feng-Jui Tsui |
| 學號 | 695440676 |
| 學位類別 | 碩士 |
| 語言別 | 繁體中文 |
| 第二語言別 | |
| 口試日期 | 2008-06-25 |
| 論文頁數 | 80頁 |
| 口試委員 |
指導教授
-
李慶烈(chingliehli@gmail.com)
委員 - 丘增杰 委員 - 陳建宏 委員 - 丘建青 委員 - 林丁丙 |
| 關鍵字(中) |
多分支單極天線 共平面波導 寬頻 多頻 |
| 關鍵字(英) |
Multi-Branch Monopole GSM Bluetooth DCS |
| 第三語言關鍵字 | |
| 學科別分類 | |
| 中文摘要 |
對於個人通信 (PCS)的系統服務來說，由於越來越多樣服務的提供以及受限於可攜式行動裝置上的有限空間，因此對雙頻帶/多頻帶的平面天線之需求與日俱增；近年來，不少研究人員使用多分枝的天線架構以獲得想要的多頻帶的操作。在本論文中，以CI及EI形態的新穎的多分枝單極天線架構被引進以實現包括 GSM 900，GSM 1800/1900及2.4 GHz ISM的多頻帶的操作，其返回損失皆小於-10dB。 本論文探討的天線以50Ω的共平面波導（CPW）饋入，使用共平面波導的好處包括只使用單一的金屬層，其他有吸引力的特徵包括傳輸線特性的穩定帶寬較大、架構簡單、不用焊點以及容易與主動元件結合等。 本論文詳細探討此一多分枝天線的多頻帶特性並經由實驗的驗證，吾人發現較長的 C分支（或 E 分枝）得負責對最低頻帶（0.9 GHz）的輻射，較短的I 分支對負責中間頻帶（1.8/1.9GHz），此外，較高的 2.4 GHz頻帶則由 C分支的高階（higher order）模態的被激發所貢獻。吾人進一步發現，使用非勻稱的接地架構（延伸右邊的接地平面使其有較大的尺寸）可以取得一相當寬帶的操作，在1.4 GHz～3 GHz的範圍內，其返回損失皆小於-9dB。 |
| 英文摘要 |
For systems of personal communication services (PCS), there are continuous needs for dual-band/multi-band planar antennas because of the various services available and the limited space on the portable devices. In recent years, there had been researchers employing the multiple branch structures to obtain the multi-band operations desired. In this paper, a novel CI-shaped multiple-branch monopole antenna is introduced in order to achieve multi-band operations that cover the GSM 900, GSM 1800/1900, and the 2.4GHz ISM bands with return-loss less than -10dB. The proposed antenna is fed by a 50Ω coplanar waveguide (CPW) transmission line to benefit from the simple structure of single metallic layer and other attractive features such as wide bandwidth, no soldering point needed, and easy integration with active devices, while the multi-band characteristics of the proposed antenna are carefully studied and experimentally verified. It is found that the longer C branch (or E branch) is responsible for the radiation of the lowest band (0.9GHz), while the shorter I branch is responsible for the higher band (1.8/1.9GHz). In additions, the 2.4GHz band is contributed from the excitation of higher order mode along the C branch (or E branch). Moreover, the un-symmetric structure with extended right-hand side ground plane with extra height is employed to achieve a wide band operation covering the range from 1.4GHz to 3GHz with return-loss less than -9dB. |
| 第三語言摘要 | |
| 論文目次 |
目錄 第一章 序論 P.01 1.1 概述 P.01 1.2 文獻導覽 P.03 第二章 天線原理與製程介紹 P.05 2.1 基本天線原理 P.05 2.1.1 偶極天線 P.05 2.1.2 單極天線 P.09 2.2 傳輸線與波導結構 P.11 第三章 天線設計與模擬簡介 P.15 3.1 簡介 P.15 3.2 共平面多分支單極天線結構 P.17 3.3 U型分支單極天線 P.18 3.4 L型單極天線 P.23 3.5 LI型分支單極天線 P.30 3.5.1 I型單極天線 P.30 3.5.2 LI型分支單極天線 P.33 3.6 LI型單極天線引入非對等接地面 P.39 3.7 CI型單極天線引入非對等接地面 P.48 3.7.1 模擬與參數特性比較 P.48 3.7.2 實作與量測 P.60 3.8 EI型單極天線引入非對等接地面 P.64 3.8.1 模擬與參數特性比較 P.64 3.8.2 實作與量測 P.72 第四章 結論 P.78 圖目錄 圖2.1 偶極天線電流分佈 P.05 圖2.2 偶極天線電流分佈與場型 P.06 圖2.3 天線等效電阻 P.09 圖2.4 (a)單極天線(b)單極天線電流分佈 P.09 圖2.5 (a)偶極天線與其輻射場形 P.11 (b)偶極天線有著串聯的電壓與對稱的平面 P.11 (c)單極天線在一接地面上 P.11 圖2.6 微帶線結構 P.12 圖2.7 共平面波導結構 P.12 圖2.8 共平面波導單極天線結構 P.12 圖2.9 共面波導結構頗面圖 P.12 圖2.10 共面波導偶模態電場場型 P.14 圖2.11 共面波導奇模態電場場型 P.14 圖2.12 共面波導結構剖面圖 P.14 圖3.1 50歐姆特性阻抗CPW傳輸線結構 P.17 圖3.2 50歐姆CPW傳輸線反射損耗模擬圖 P.17 圖3.3 CPW 特性組抗實部 P.18 圖3.4 CPW 特性組抗虛部 P.18 圖3.5 U型分支單極天線 P.19 圖3.6 天線反射損耗模擬圖 P.20 圖3.7 天線輸入阻抗實部與虛部 P.20 圖3.8 頻率1GHz之電流分布圖 P.21 圖3.9 頻率2.47GHz之電流分布圖 P.21 圖3.10 頻率1GHZ XY切面之天線輻射場型模擬圖 P.22 圖3.11 頻率1GHZ YZ切面之天線輻射場型模擬圖 P.22 圖3.12 頻率1GHZ ZX切面之天線輻射場型模擬圖 P.22 圖3.13 頻率2.74GHZ XY切面之天線輻射場型模擬圖 P.22 圖3.14 頻率2.74GHZ YZ切面之天線輻射場型模擬圖 P.23 圖3.15 頻率2.74GHZ ZX切面之天線輻射場型模擬圖 P.23 圖3.16 L型分支單極天線 P.24 圖3.17 天線反射損耗模擬圖 P.25 圖3.18 天線輸入阻抗實部與虛部 P.25 圖3.19 頻率0.94GHz 之電流分佈圖 P.26 圖3.20 頻率1.74GHz 之電流分佈圖 P.26 圖3.21 頻率2.44GHz 之電流分佈圖 P.26 圖3.22 頻率0.94GHZ XY切面之天線輻射場型模擬圖 P.27 圖3.23 頻率0.94GHZ YZ切面之天線輻射場型模擬圖 P.27 圖3.24 頻率0.94GHZ ZX切面之天線輻射場型模擬圖 P.27 圖3.25 頻率1.74GHZ XY切面之天線輻射場型模擬圖 P.27 圖3.26 頻率1.74GHZ YZ切面之天線輻射場型模擬圖 .28 圖3.27 頻率1.74GHZ ZX切面之天線輻射場型模擬圖 P.28 圖3.28 頻率2.44GHZ XY切面之天線輻射場型模擬圖 P.28 圖3.29 頻率2.44GHZ YZ切面之天線輻射場型模擬圖 P.28 圖3.30 頻率2.44GHZ ZX切面之天線輻射場型模擬圖 P.29 圖3.31 I型單極天線 P.30 圖3.32 天線反射損耗模擬圖 P.31 圖3.33 天線輸入阻抗實部與虛部 P.31 圖3.34 頻率1.32GHZ 之電流分佈圖 P.32 圖3.35 頻率1.32GHZ XY切面之天線輻射場型模擬圖 P.32 圖3.36 頻率1.32GHZ YZ切面之天線輻射場型模擬圖 P.32 圖3.37 頻率1.32GHZ ZX切面之天線輻射場型模擬圖 P.32 圖3.38 LI型分支單極天線 P.34 圖3.39 天線反射損耗模擬圖 P.35 圖3.40 天線輸入阻抗實部與虛部 P.35 圖3.41 頻率 0.94GHZ 之電流分佈圖 P.36 圖3.42 頻率 1.54GHZ 之電流分佈圖 P.36 圖3.43 頻率 2.44GHZ 之電流分佈圖 P.36 圖3.44 頻率0.94GHZ XY切面之天線輻射場型模擬圖 P.37 圖3.45 頻率0.94GHZ YZ切面之天線輻射場型模擬圖 P.37 圖3.46 頻率0.94GHZ ZX切面之天線輻射場型模擬圖 P.37 圖3.47 頻率1.54GHZ XY切面之天線輻射場型模擬圖 P.37 圖3.48 頻率1.54GHZ YZ切面之天線輻射場型模擬圖 P.38 圖3.49 頻率1.54GHZ ZX切面之天線輻射場型模擬圖 P.38 圖3.50 頻率2.44GHZ XY切面之天線輻射場型模擬圖 P.38 圖3.51 頻率2.44GHZ YZ切面之天線輻射場型模擬圖 P.38 圖3.52 頻率2.44GHZ ZX切面之天線輻射場型模擬圖 P.39 圖3.53 LI型分支單極天線引入非對等接地面 P.40 圖3.54 天線反射損耗模擬圖(變數w1) P.41 圖3.55 輸入阻抗實部(變數w1) P.41 圖3.56 輸入阻抗虛部(變數w1) P.41 圖3.57 天線反射損耗模擬圖(變數w2) P.42 圖3.58 輸入阻抗實部(變數w2) P.42 圖3.59 輸入阻抗虛部(變數w2) P.42 圖3.60 天線反射損耗模擬圖(變數h1) P.43 圖3.61 輸入阻抗實部(變數h1) P.43 圖3.62 輸入阻抗虛部(變數h1) P.43 圖3.63 天線反射損耗模擬圖(變數h2) P.44 圖3.64 輸入阻抗實部(變數h2) P.44 圖3.65 輸入阻抗虛部(變數h2) P.44 圖3.66 天線反射損耗模擬圖(變數h4) P.45 圖3.67 輸入阻抗實部(變數h4) P.45 圖3.68 輸入阻抗虛部(變數h4) P.45 圖3.69 天線反射損耗模擬圖(變數gap) P.46 圖3.70 輸入阻抗實部(變數gap) P.46 圖3.71 輸入阻抗虛部(變數gap) P.46 圖3.72 天線反射損耗模擬圖(變數d6) P.47 圖3.73 輸入阻抗實部(變數d6) P.47 圖3.74 輸入阻抗虛部(變數d6) P.47 圖3.75 CI型分支單極天線 P.49 圖3.76 天線反射損耗模擬圖(變數h1) P.50 圖3.77 輸入阻抗實部(變數h1) P.50 圖3.78 輸入阻抗虛部(變數h1) P.50 圖3.79 天線反射損耗模擬圖(變數h2) P.51 圖3.80 輸入阻抗實部(變數h2) P.51 圖3.81 輸入阻抗虛部(變數h2) P.51 圖3.82 天線反射損耗模擬圖(變數h3) P.52 圖3.83 輸入阻抗實部(變數h3) P.52 圖3.84 輸入阻抗虛部(變數h3) P.52 圖3.85 天線反射損耗模擬圖(變數h4) P.53 圖3.86 輸入阻抗實部(變數h4) P.53 圖3.87 輸入阻抗虛部(變數h4) P.53 圖3.88 天線反射損耗模擬圖(變數gap) P.54 圖3.89 輸入阻抗實部(變數gap) P.54 圖3.90 輸入阻抗虛部(變數gap) P.54 圖3.91 天線反射損耗模擬圖(變數w1) P.55 圖3.92 輸入阻抗實部(變數w1) P.55 圖3.93 輸入阻抗虛部(變數w1) P.55 圖3.94 天線反射損耗模擬圖(變數w2) P.56 圖3.95 輸入阻抗實部(變數w2) P.56 圖3.96 輸入阻抗虛部(變數w2) P.56 圖3.97 天線反射損耗模擬圖(變數d6) P.57 圖3.98 輸入阻抗實部(變數d6) P.57 圖3.99 輸入阻抗虛部(變數d6) P.57 圖3.100 天線反射損耗模擬圖 P.58 圖3.101 天線輸入阻抗實部與虛部 P.58 圖3.102 頻率0.9GHz 之電流分佈圖 P.59 圖3.102 頻率1.32GHz 之電流分佈圖 P.59 圖3.104 頻率1.32GHz 之電流分佈圖 P.59 圖3.105 CI型單極天線實作圖 P.61 圖3.106 反射損耗模擬與實作比較圖 P.61 圖3.107 頻率0.9GHz XY切面(a)GainPhi (b)GainTheta P.62 圖3.108 頻率0.9GHz YZ切面(a)GainPhi (b)GainTheta P.62 圖3.109 頻率0.9GHz ZX切面(a)GainPhi (b)GainTheta P.62 圖3.110 頻率1.8 GHz XY切面(a)GainPhi (b)GainTheta P.63 圖3.111 頻率1.8 GHz YZ切面(a)GainPhi (b)GainTheta P.63 圖3.112 頻率1.8 GHz ZX切面(a)GainPhi (b)GainTheta P.63 圖3.113 頻率2.4 GHz XY切面(a)GainPhi (b)GainTheta P.64 圖3.114 頻率2.4 GHz YZ切面(a)GainPhi (b)GainTheta P.64 圖3.115 頻率2.4 GHz ZX切面(a)GainPhi (b)GainTheta P.64 圖3.116 EI型引入非對等接地面 P.65 圖3.117 天線反射損耗模擬圖(變數d1) P.66 圖3.118 輸入阻抗實部(變數d1) P.66 圖3.119 輸入阻抗虛部(變數d1) P.66 圖3.120 天線反射損耗模擬圖(變數d2) P.67 圖3.121 輸入阻抗實部(變數d2) P.67 圖3.122 輸入阻抗虛部(變數d2) P.67 圖3.123 天線反射損耗模擬圖(變數d3) P.68 圖3.124 輸入阻抗實部(變數d4) P.68 圖3.125 輸入阻抗虛部(變數d4) P.68 圖3.126 天線反射損耗模擬圖(變數d6) P.69 圖3.127 輸入阻抗實部(變數d6) P.69 圖3.128 輸入阻抗虛部(變數d6) P.69 圖3.129 天線反射損耗模擬圖 P.71 圖3.130 天線輸入阻抗實部與虛部 P.71 圖3.131 頻率0.9GHz 之電流分佈圖 P.72 圖3.132 頻率1.8GHz 之電流分佈圖 P.72 圖3.133 頻率2.4GHz 之電流分佈圖 P.72 圖3.134 CI型單極天線實作圖 P.74 圖3.135 反射損耗模擬與實作比較圖 P.74 圖3.136 頻率0.9GHz XY切面(a)GainPhi (b)GainTheta P.75 圖3.137 頻率0.9GHz YZ切面(a)GainPhi (b)GainTheta P.75 圖3.138 頻率0.9GHz ZX切面(a)GainPhi (b)GainTheta P.75 圖3.139 頻率1.8GHz XY切面(a)GainPhi (b)GainTheta P.76 圖3.140 頻率1.8GHz YZ切面(a)GainPhi (b)GainTheta P.76 圖3.141 頻率1.8GHz ZX切面(a)GainPhi (b)GainTheta P.76 圖3.142 頻率2.4GHz XY切面(a)GainPhi (b)GainTheta P.77 圖3.143 頻率2.4GHz YZ切面(a)GainPhi (b)GainTheta P.77 圖3.144 頻率2.4GHz ZX切面(a)GainPhi (b)GainTheta P.77 表目錄 表3.1 GSM頻率範圍表 P.16 表3.2 U型分支單極天線各參數長度 P.20 表3.3 U型分支單極天線尺寸參數對照表 P.24 表3.4 I型分支單極天線尺寸參數對照表 P.31 表3.5 LI型分支單極天線尺寸參數對照表 P.34 表3.6 CI型分支單極天線非對等接地面實作尺寸參數對照表 P.58 表3.7 LI型分支單極天線非對等接地面實作尺寸參數對照表 P.70 |
| 參考文獻 |
[1] C.P. Wen, “Coplanar waveguide : A surface strip transmission line suitable for nonreciprocal gyromagnetic device application,” IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol.17, Dec. 1969, pp. 1087-1090 [2] K. Tilley, X.D. Wu and K. Chang, “Coplanar waveguide fed coplanar strip dipole antenna,” Electron. Lett., 1994, pp.176-177 [3] W. Wang, S.S. Zhong and S.B. Chang, “A novel wideband coplanar-fed monopole antenna,” Microwave Opt. Tech. Lett., vol.43, 2004 , pp.50-52 [4] R. Garg, Microstrip antenna design handbook Artech House, 2001. [5] C. A. Balanis, “Antenna theory analysis and design,” Wiley, 2005 [6] Y.Ge, K.P and T.S. ,"Antenna Technology Small Antennas and Novel Metamaterials," IEEE, March 2006 pp. 172-175 [7] M. John and M. J. Ammann, "Antennas and Propagation," IEEE Transactions, Vol. 54, Feb. 2006, pp. 384- 91 [8] Y. S. Liu, J. S. Sun, J. H. Lu and Y. J. Lee, “New multiband printed meander antenna for wireless applications,” Microwave Opt. Technol. Lett., vol. 47, Dec. 2005, pp. 539-543 [9] W. S. Chen, Y. C. Chang and F. S. Chan, "Antennas and Propagation International Symposium," IEEE, June 2007, pp.3281-3284 [10] M. John, M.J. Ammann and R. Farrell, "Wideband and Multi-band Antennas and Arrays," IEEE, No. 2005, pp.19-23 |
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