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系統識別號 U0002-2406201414460700
中文論文名稱 以3D列印技術完成立體多天線設計之研究
英文論文名稱 A Design For Three-Dimensional Multi-Antenna Array Using 3D Printing Technology
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 電機工程學系博士班
系所名稱(英) Department of Electrical Engineering
學年度 102
學期 2
出版年 103
研究生中文姓名 陸蒔楠
研究生英文姓名 Shih-Nan Lu
學號 896440053
學位類別 博士
語文別 中文
口試日期 2014-06-12
論文頁數 86頁
口試委員 指導教授-李揚漢
委員-曹恆偉
委員-陳建中
委員-蘇木春
委員-詹益光
委員-李揚漢
委員-翁慶昌
委員-丘建青
中文關鍵字 天線設計 
英文關鍵字 Antenna Design 
學科別分類
中文摘要 射頻天線對於手機設計者而言一直是一個非常難解的課題,手機的外型不能大,因為會影響攜帶及使用上的便利性,但是現今的智慧型手機卻又標榜擁有許多不同的功能,除了基本用來通話及傳遞資料的行動通訊射頻外,大多都具備了無線網路(WiFi)、藍牙(Bluetooth)、全球定位系統(GPS)等的功能,近期又增加了近場通訊(NFC),不久的將來又將增加無線充電(Qi)的功能。這麼多種不同的「無線」功能除了意味著使用者可以非常方便的讓自己的攜行裝置與其他各式各樣的裝置進行連線並交換資料外,同時也讓設計此裝置的工程師絞盡腦汁設法在這麼小的範圍內要擺設這麼多組的天線,而且彼此間不能相互干擾。這項工作在原先行動通訊使用一組天線的情況下,已經是非常艱難的事情了,但是技術的發展自從進入WiMAX 一直發展至今LTEA 的第四代行動通訊,CA 與MIMO 結合後的需求又再一次為工程師帶來新的挑戰,必須在已經沒有的空間中再設法挪出空間來擺放這些多出來的天線。
在這篇論文中我們構想了一個兩階段的天線設計改良計畫,第一階段我們希望能在設計的初期,快速地進行天線的設計及驗證,使天線能視需求設計成各種不同的形狀,而且其性能是可以達到業界的需求。第二階段則利用更新的製造方式生產出我們所想要的產品,而且更進一步的希望能結合不同的材質,將天線的尺寸縮小,在未來可運用於攜帶型的裝置中。透過這兩階段的步驟,我們將可大幅減少設計之初的錯誤方向縮短設計時間,並可大幅減少設計期間的費用支出。另外我們在本論文的測試中也實施了絕緣材質對天線設計影響的模擬,以及天線隔離度的測試,這些數據都是天線設計上非常有用的資訊。
英文摘要 Designing a good RF antenna has been a very obscure topic for mobile phones designers. Phone's appearance is cannot too large it will affect the use and convenience to carry on. But today's smart phones have many different features advertised. In addition to mobile radio communications for basic call function and transfer data, most of them are equipped with wireless Internet (WiFi), Bluetooth (Bluetooth), Global Positioning System (GPS) and other functions, recently added Near Field Communication (NFC) , the wireless charging (Qi) will be added in the near future. So many different "wireless" feature in addition to means that users can very easily make their own portable devices to connect and exchange information with other kinds of devices, but also the design of this device allows engineers hard to try in such a small area to place so many groups of antennas, and cannot interfere with each other.
If in the original two-dimensional plane could not find the extra space to put so many antennas, but we cannot reduce any of the product features, whether we can make multiple
sets of three-dimensional arrangement of the antenna?
In this article a two-stage plan that we envisioned for antenna design improvements. We hope to be in the first stage of the initial antenna design we can rapid design and
verification, the antenna can be designed depending on the needs of a variety of different shapes, but the performance approached the industry's needs. The second stage is the use
of newer manufacturing methods to produce the products which we want and further hope to combine different materials it will could reduce the size of the antenna let it can be
applied in the future in portable devices. Through the two-stage step, we will be able to significantly reduce the design schedule and found the errors early in design period, and can reduce expenses during design. In addition, we also practiced the simulations for insulating material impact on antenna design and testing of antenna isolation status these
data are the antenna design is very useful information.
論文目次 目錄
誌謝 I
中文摘要 III
ABSTRACT V
目錄 VII
圖目錄 XI
表目錄 XVI
第一章 載波聚合與3D 列印技術簡介 1
1.1 研究動機 1
1.2 CA (Carrier Aggregation, 載波聚合) 3
1.3 MIMO (Multiple Input Multiple Output) 天線 8
1.4 3D printing 技術 10
1.4.1 液態法 11
1.4.1.1 SLA – Stereo Lithography Apparatus 11
1.4.1.2 Polyjet SLA Printing 12
1.4.1.3 DLP 13
1.4.2 半液態法 14
1.4.3 粉末法 15
1.4.3.1 SLS (Selective Laser Sintering) 15
1.4.3.2 Z method 17
1.4.4 固態法 LOM – Laminated Object Manufacturing 17
1.5 研究之動機與目的 18
第二章 天線設計的概念 20
2.1 各類型天線介紹 20
2.1.1 電線單極天線 20
2.1.2 PIFA (Inverted-F antenna) 天線 20
2.1.3 螺旋天線 20
2.1.4 陶瓷天線 20
2.2 設計的步驟 21
2.2.1 天線模擬 22
2.2.2 實際製作 22
2.3 設計原理 23
2.4 PIFA 印刷天線 24
2.5 陶瓷天線 25
2.6 匹配問題 26
2.7 數據量測 27
2.7.1 S-參數 (S-Parameter) 27
2.7.2 史密斯圖 (Smith Chart) 28
2.7.3 場型 33
第三章 利用模擬軟體進行天線設計 34
3.1 HFSS14.0 電磁模擬軟體 34
3.2 軟體模擬設計階段 36
3.3 軟體模擬參數調整及優化階段 40
3.4 模擬結果與分析 45
3.5 實際模擬驗證 50
3.5.1 高頻電路 50
3.5.2 中頻電路 52
3.5.3 低頻電路 53
3.6 單極天線的隔離度 56
3.7 載波聚合式天線模擬 58
3.7.1 內部八面天線之模擬與調整 59
3.7.2 外部八面天線之模擬與調整 63
第四章 實際製作樣品進行測試 66
4.1 測量設備與元件 66
4.1.1 網路分析儀 66
4.1.2 校準元件 67
4.1.3 測試底板製作 68
4.2 實測方法與流程 68
4.2.1 測試樣品之製作 68
4.2.2 測試流程 69
4.3 實測結果 70
4.3.1 中心頻率1.84GHz 之量測 70
4.3.2 中心頻率2.6GHz 之量測 74
4.3.3 實測後問題探討 75
4.3.4 兩天線在同一平面上之實測 76
4.3.5 載波聚合形天線實測 77
第五章 總結 83
參考文獻 85

圖目錄
圖 1.1 LTE-Advanced 五大技術 4
圖 1.2 Intra-Band Continuous 5
圖 1.3 Intra-Band Non-Continuous 6
圖 1.4 Inter-Band Non-Continuous 6
圖 1.5 天線形式分類 8
圖 1.6 LTE 下行 MIMO 物理架構圖 9
圖 1.7 SLA 技術簡圖 11
圖 1.8 Polyjet SLA Printing 12
圖 1.9 PLD 3D Printing 13
圖 1.10 SLA & DLP 成品 13
圖 1.11 FDM Printer 架構 15
圖 1.12 FDM 3D Printer Structure 15
圖 1.13 SLS 技術及成品 16
圖 1.14 Z method Printing 成品 17
圖 1.15 LOM 架構及成品 17
圖 2.1 天線設計步驟 21
圖 2.2 各類型底板 22
圖 2.3 單極天線設計概念 23
圖 2.4 單極天線接地平面的配置 24
圖 2.5 PIFA 天線設計概念 24
圖 2.6 陶瓷天線概念 25
圖 2.7 Return loss & Smith chart 26
圖 2.8 S-參數的意義 27
圖 2.9 史密斯圖各線條之涵義 30
圖 2.10 史密斯圖頻寬之表示 31
圖 2.11 2.84GHZ 史密斯圖 32
圖 2.12 2.84GHZ 之頻寬 32
圖 2.13 0.97GHz XZ 平面輻射場型 33
圖 2.14 0.97GHz YZ 平面輻射場型 33
圖 2.15 0.97GHz 3D 輻射場型 33
圖 3.1 軟體模擬設計階段流程圖 35
圖 3.2 平面底板圖 37
圖 3.3 參數設定 38
圖 3.4 導體的參數設定 39
圖 3.5 蛇形天線 39
圖 3.6 模擬參數調整及優化流程 40
圖 3.7 對地平面設置 41
圖 3.8 饋入面設置 42
圖 3.9 遠場設置 42
圖 3.10 目標解設置 43
圖 3.11 頻率範圍設置 44
圖 3.12 天線的反射損失圖 45
圖 3.13 2.58GHz 的3D 輻射場形圖 46
圖 3.14 XZ 平面的電場輻射平面圖 47
圖 3.15 YZ 平面的電場輻射平面圖 47
圖 3.16 XY 平面的電場輻射平面圖 48
圖 3.17 2.58GHz 的史密斯圖 48
圖 3.18 電流分佈圖 49
圖 3.19 2.65GHz 理論模擬的反射損失圖 50
圖 3.20 2.65GHz 調整後的反射損失圖 51
圖 3.21 1.85GHz 理論模擬的反射損失圖 52
圖 3.22 1.85GHz 調整後的反射損失圖 53
圖 3.23 0.88GHz 理論模擬的反射損失 54
圖 3.24 0.88GHz 調整後的反射損失圖 55
圖 3.25 天線間距示意圖 56
圖 3.26 載波聚合天線所使用的八角柱底座 58
圖 3.27 內部電路初始模擬的反射損失圖 59
圖 3.28 內部電路調整後模擬的反射損失圖 60
圖 3.29 天線隔離度測試放置角度圖 61
圖 3.30 八角柱各放置角度的隔離度分析圖 61
圖 3.31 內外層天線套接示意圖 62
圖 3.32 內部天線增加屏蔽後的反射損失圖 62
圖 3.33 內部天線增加屏蔽調整後的反射損失圖 63
圖 3.34 載波聚合雙頻天線擺設示意圖 64
圖 3.35 載波聚合天線的反射損失圖 64
圖 3.36 內部天線的隔離度圖 65
圖 3.37 外部天線的隔離度圖 65
圖 4.1 8719ES 網路分析儀設備圖 67
圖 4.2 Agilent 85052D 校準元件 67
圖 4.3 測試用底板製作 68
圖 4.4 測試樣品之製作 69
圖 4.5 網路分析儀使用說明圖 69
圖 4.6 線段轉折距離示意圖 70
圖 4.7 中心頻率1.84GHz 線彎間隔4mm 銅線直徑0.21mm 之實測圖 71
圖 4.8 中心頻率1.84GHz 線彎間隔5mm 銅線直徑0.21mm 之實測圖 72
圖 4.9 中心頻率1.84GHz 線彎間隔6mm 銅線直徑0.21mm 之實測圖 72
圖 4.10 中心頻率1.84GHz 線彎間隔7mm 銅線直徑0.21mm 之實測圖 73
圖 4.11 間隔5mm 76
圖 4.12 間隔10mm 76
圖 4.13 間隔15mm 76
圖 4.14 載波聚合天線基板 77
圖 4.15 載波聚合天線間隔45 度之實體圖 78
圖 4.16 載波聚合天線間隔45 度之量測圖 78
圖 4.17 載波聚合天線間隔90 度之實體圖 79
圖 4.18 載波聚合天線間隔90 度之量測圖 79
圖 4.19 載波聚合天線間隔135 度之實體圖 80
圖 4.20 載波聚合天線間隔135 度之量測圖 80
圖 4.21 載波聚合天線間隔180 度之實體圖 81
圖 4.22 載波聚合天線間隔180 度之量測圖 81

表目錄
表 1.1 跨頻載波聚合運作頻段表 7
表 1.2 3D 列印技術分類表 11
表 2.1 S-參數之定義 28
表 3.1 高頻天線模擬天線長度比較表 51
表 3.2 中頻天線模擬天線長度比較表 53
表 3.3 低頻天線模擬天線長度比較表 55
表 3.4 2.6GHz 間距與隔離度之關係 56
表 3.5 1.84GHz 間距與隔離度之關係 57
表 4.1 1.84GHz 中心頻率使用線徑0.21mm 銅線各轉折間距之實測 73
表 4.2 1.84GHz 中心頻率使用線徑0.35mm 銅線各轉折間距之實測 74
表 4.3 1.84GHz 中心頻率使用線徑0.511mm 銅線各轉折間距之實測 74
表 4.4 2.6GHz 中心頻率使用不同線徑銅線所做各轉折間距之實測 74
表 4.5 兩天線間隔之量測結果表 76
表 4.6 載波聚合天線之隔離度分析表 82
參考文獻 [1]3GPP TR 36.913, ‘Requirements for further advancements for Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA) (LTEAdvanced)’
[2]3GPP “Summary of LTE Advanced Requirements presented at the workshop”, REV-080058, 2008.
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[12]“FFF 3D Technology” http://sd3dprinting.com/tag/fff/
[13]“SLS 3D printing Technology” http://www.extremetech.com/extreme/143552-3d-printing-with-metal-the-final-frontier-of-additive-manufacturing
[14]“Z Method 3D Printing Technology” http://www.ijet.co.jp/en/3dprinter.html
[15]“Bluetooth Antenna Design” Texas Instruments Incorporated Application Report SNOA519B–March 2008–Revised May 2013
[16]Ping Hui, “Design of Intergrated Inverted F Antennas Made of Asymmetrical Coplanar stripline, ”APPLIED MICROWAVE & WIRELESS, Jan.(2002)
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[18]Yen-Liang Kuo and Kin-Lu Wong, “ Printed double-T monopole antenna for 2.4/5.2 GHz dual-band WLAN operations, ” Antennas and Propagation, IEEE Transactions on, vol.51, issue. 9, Sep, pg.2187-2192.(2003)
[19]葉世晃博士“天線設計與實務” 工研院資通所 2006/10
[20]呂仕勛“車用行動通訊多頻組合式天線之研製” 中央大學電機研究所 2006/6
[21]Matthew Loy與Iboun Sylla “ISM頻帶與短距裝置天線基本原理:第2篇” 德州儀器
[22]Janina E. Mazierska, Mohan V. Jacob, and Dimitri O. Ledenyov1 ” Loss tangent measurements of dielectric substrates from 15 K to 300 K with two resonators: investigation into accuracy issues,”
[23]Zulkifli Ahmad, “Polymeric Dielectric Materials”
[24]吳經文 “天線與傳輸線的量測” 中華民國職業訓練研究發展中心2001/12
論文使用權限
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