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系統識別號 U0002-1508201614473700
中文論文名稱 應用於局部放電檢測的超高頻帶之超寬頻天線設計
英文論文名稱 UWB Antenna Design for UHF Band to be Applied for Partial Discharge Detection
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 電機工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Electrical Engineering
學年度 104
學期 2
出版年 105
研究生中文姓名 吳彥廷
研究生英文姓名 Yan-Ting Wu
電子信箱 wubachee@gmail.com
學號 603440230
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2016-07-19
論文頁數 78頁
口試委員 指導教授-李慶烈
委員-丘建青
委員-甘堯江
中文關鍵字 田口最佳化法  直交表  UWB  UHF  響應表 
英文關鍵字 Planar Antenna  Ultra-wideband  UHF  UHF antenna  UWB  UWBantenna  Response Table  Taguchi method. 
學科別分類 學科別應用科學電機及電子
中文摘要 本論文研究一個長方形柱體狀的超高頻(UHF)天線之優化設計,超高頻天線在此的功用為一個局部放電檢測系統的關鍵檢測元件,此元件以0.8mm厚的FR4基板(相對介電係數為4.4)來進行分析模擬、設計與實驗驗證。
超高頻天線的優化設計乃是以一個長方形單極當作初始結構,並將其細分成多個(例如10個)細長方形的金屬strip,且以strip的長度當作待決定變數;再將天線本體的接地面加以延伸,並使其為彎曲成一個薄柱狀型的天線結構,以達到縮小化的目的。
本論文的另一目的在測試不同優化過程(基於等差田口優化法)的設計效果,包括只使用響應表的結果來進行優化,或是比較響應表的結果與直交表實驗的結果,擇優來進行優化。經過測試的經驗顯示,後者比前者可以在較少的迭代次數找到最佳的數值結果,且其獲致的|S11|max 數值也都低於期望的-10dB以下,而尺寸也會比前者方法找到的來得更小。

英文摘要 This thesis investigates the optimization design of ultra high frequency (UHF) sensing antennas of rectangular cylinder shape. The UHF antenna functioning as a sensor is a key element of a partial discharge detection system. The element is assumed to reside on an FR4 substrate (relative permittivity power factor of 4.4) of thickness 0.8mm, while its simulation, design and experimental verification are carried out.

Optimal Design of the proposed UHF antenna start with a structure of rectangular monopole, which is subdivided into a plurality of (e.g., 10) rectangular thin metal strip, and the lengths of the strips serve as variables to be determined; In additions, the ground plane of the antenna is extended and bent to form an S-shape antenna structure for the purpose of downsizing.

Another objective of the thesis is to test the design outcomes of different optimization procedures (based on arithmetic Taguchi’s optimization method), which includes the use of the results from response table only for optimization, or through the comparison of the above results mentioned with those results of the orthogonal table; for the latter, the better one is chosen for optimization. Empirical tests show that the latter procedure can yield better numerical results with fewer iterations than the former did; and the attainable values of S11 are lower than -10dB expected, and the antenna size is smaller, too.
論文目次 目錄
中文摘要 I
英文摘要 III
第一章序論 1
1.1 簡介 1
1.2 研究背景 1
1.3 論文架構 6
第二章 UHF超寬頻天線設計 7
2.1局部放電檢測 7
2.1.1局部放電檢測目的、意義及檢測原理 7
2.1.2局部放電檢測方法(電氣式檢測與非電氣式檢測) 9
2.1.3電氣式檢測 10
2.1.4無線電干擾電壓法 11
2.2傳統寬頻天線的演化 12
2.3超寬頻天線初始結構計算 16
2.4超寬頻天線的結構參數原理分析 20
2.5連續直交表的使用 22
2.6等差式田口優化法 25
第三章應用等差式田口優化法於天線設計 29
3.1 簡介 29
3.2以等差式田口優化法進行設計 29
3.2.1等差式田口優化法的參數設計 29
3.2.2等差式田口優化法第二階段的五代參數設計 36
3.3以改良式等差田口優化法進行設計 42
3.4以改良式等差田口優化法進行縮小尺寸設計 58
第四章結論 73
參考文獻 75



圖目錄
圖1.1應用PD測試的高電設備:電力變壓器、發電機、GIS與電力電纜 2
圖2.1(a)λ/4單極天線(b)圓錐形天線(c)火山煙狀天線之二維結構 12
圖2.2水滴狀天線之二維結構圖 13
圖2.3水滴狀天線的演化順序 14
圖2.4水滴狀天線的VSWR 之頻率響應 14
圖2.5水滴狀天線在(a)3GHz(b)6GHz(c)9GHz (d)12GHz 之輻射場型 15
圖2.6圓柱體之立體結構 16
圖2.7矩形單極微帶天線的二維結構圖 18
圖2.8UWB天線 19
圖2.9UHF頻帶的UWB天線本體 19
圖2.10類長方形柱狀單極的3D示意圖(接地面延伸後的結構) 20
圖2.11類長方形柱狀單極的俯視示意圖 21
圖2.12改良田口最佳化法流程圖 26
圖3.1天線本體結構示意圖 32
圖3.2天線接地結構延伸的示意圖 32
圖3.3第一次迭代後的反射損耗圖 33
圖3.4第二次迭代後的反射損耗圖 33
圖3.5第三次迭代後的反射損耗圖 34
圖3.6第四次迭代後的反射損耗圖 34
圖3.7第五次迭代後的反射損耗圖 35
圖3.8五次迭代實驗之反射損耗變化圖 35
圖3.9第六次迭代後的反射損耗圖 38
圖3.10第七次迭代後的反射損耗圖 38
圖3.11第八次迭代後的反射損耗圖 39
圖3.12第九次迭代後的反射損耗圖 39
圖3.13第十次迭代後的反射損耗圖 40
圖3.14第二階段的五次迭代實驗之反射損耗變化圖 40
圖3.15優化後的天線主體(前視)與延伸接地面(右圖,俯視)的結構示意圖 41
圖3.16第一次迭代後的反射損耗圖(改良式等差田口優化法) 44
圖3.17第二次迭代後的反射損耗圖(改良式等差田口優化法) 45
圖3.18第三次迭代後的反射損耗圖(改良式等差田口優化法) 45
圖3.19第四次迭代後的反射損耗圖(改良式等差田口優化法) 46
圖3.20第五次迭代後的反射損耗圖(改良式等差田口優化法) 46
圖3.21五次迭代實驗之反射損耗變化圖(改良式等差田口優化法) 47
圖3.22優化後的天線主體(前視)與延伸接地面(右圖,俯視)的結構示意圖 47
圖3.23優化後的天線結構實體圖 48
圖3.24優化後天線的實測與模擬反射損耗圖(改良式等差田口優化法) 49
圖3.25天線E-plane(Y-Z平面)的輻射場型模擬結果(@0.3GHz) 49
圖3.26天線E-plane(Y-Z平面)的輻射場型模擬結果(@0.4GHz) 50
圖3.27天線E-plane(Y-Z平面)的輻射場型模擬結果(@0.5GHz) 50
圖3.28天線E-plane(Y-Z平面)的輻射場型模擬結果(@0.6GHz) 51
圖3.29天線E-plane(Y-Z平面)的輻射場型模擬結果(@0.7GHz) 51
圖3.30天線E-plane(Y-Z平面)的輻射場型模擬結果(@0.8GHz) 52
圖3.31天線E-plane(Y-Z平面)的輻射場型模擬結果(@0.9GHz) 52
圖3.32天線E-plane(Y-Z平面)的輻射場型模擬結果(@1.0GHz) 53
圖3.33天線H-plane(X-Z平面)的輻射場型模擬結果(@0.3GHz) 53
圖3.34天線H-plane(X-Z平面)的輻射場型模擬結果(@0.4GHz) 54
圖3.35天線H-plane(X-Z平面)的輻射場型模擬結果(@0.5GHz) 54
圖3.36天線H-plane(X-Z平面)的輻射場型模擬結果(@0.6GHz) 55
圖3.37天線H-plane(X-Z平面)的輻射場型模擬結果(@0.7GHz) 55
圖3.38天線H-plane(X-Z平面)的輻射場型模擬結果(@0.8GHz) 56
圖3.39天線H-plane(X-Z平面)的輻射場型模擬結果(@0.9GHz) 56
圖3.40天線H-plane(X-Z平面)的輻射場型模擬結果(@1.0GHz) 57
圖3.41第一次迭代後的反射損耗圖(縮小化;改良式等差田口優化法) 59
圖3.42第二次迭代後的反射損耗圖(縮小化;改良式等差田口優化法) 60
圖3.43第三次迭代後的反射損耗圖(縮小化;改良式等差田口優化法) 60
圖3.44第四次迭代後的反射損耗圖(縮小化;改良式等差田口優化法) 61
圖3.45第五次迭代後的反射損耗圖(縮小化;改良式等差田口優化法) 61
圖3.46五次迭代實驗之反射損耗變化圖(縮小化;改良式等差田口優化法) 62
圖3.47優化後的天線主體(前視)與延伸接地面(右圖,俯視)的結構示意圖[縮小化] 62
圖3.48優化後的天線結構實體圖 63
圖3.49優化天線的實測與模擬反射損耗圖 64
圖3.50天線E-plane(Y-Z平面)的輻射場型模擬結果(@0.3GHz)
64
圖3.51天線E-plane(Y-Z平面)的輻射場型模擬結果(@0.4GHz) 65
圖3.52天線E-plane(Y-Z平面)的輻射場型模擬結果(@0.5GHz) 65
圖3.53天線E-plane(Y-Z平面)的輻射場型模擬結果(@0.6GHz) 66
圖3.54天線E-plane(Y-Z平面)的輻射場型模擬結果(@0.7GHz) 66
圖3.55天線E-plane(Y-Z平面)的輻射場型模擬結果(@0.8GHz) 67
圖3.56天線E-plane(Y-Z平面)的輻射場型模擬結果(@0.9GHz) 67
圖3.57天線E-plane(Y-Z平面)的輻射場型模擬結果(@1.0GHz) 68
圖3.58天線H-plane(X-Z平面)的輻射場型模擬結果(@0.3GHz) 68
圖3.59天線H-plane(X-Z平面)的輻射場型模擬結果(@0.4GHz) 69
圖3.60天線H-plane(X-Z平面)的輻射場型模擬結果(@0.5GHz) 69
圖3.61天線H-plane(X-Z平面)的輻射場型模擬結果(@0.6GHz) 70
圖3.62天線H-plane(X-Z平面)的輻射場型模擬結果(@0.7GHz) 70
圖3.63天線H-plane(X-Z平面)的輻射場型模擬結果(@0.8GHz) 71
圖3.64天線H-plane(X-Z平面)的輻射場型模擬結果(@0.9GHz) 71
圖3.65天線H-plane(X-Z平面)的輻射場型模擬結果(@1.0GHz) 72







表目錄
表2.1直交表OA(27,10,3,2) 24
表3.1優化後的結構參數尺寸 41
表3.2優化後的結構參數尺寸(改良式等差田口優化法) 48
表3.3優化後的結構參數尺寸(縮小化;改良式等差田口優化法)63

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論文使用權限
  • 同意紙本無償授權給館內讀者為學術之目的重製使用,於2016-08-16公開。
  • 同意授權瀏覽/列印電子全文服務,於2016-08-16起公開。


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