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系統識別號 U0002-2607201214384100
中文論文名稱 直交表用於倒L雙頻天線之設計
英文論文名稱 Application of Orthogonal Array for the Design of Inverted L Antenna
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 100
學期 2
出版年 101
研究生中文姓名 翁志宏
研究生英文姓名 Chih-Hung Weng
電子信箱 chihhungw@hotmail.com
學號 699440235
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2012-07-10
論文頁數 131頁
口試委員 指導教授-李慶烈
委員-李慶烈
委員-丘建青
委員-黃建彰
中文關鍵字 平面天線  倒L天線  雙頻  田口法  直交表 
英文關鍵字 Planar Antenna  ILA  dual band  Taguchi method 
學科別分類 學科別應用科學電機及電子
中文摘要 本論文探討藉由直交表(Orthogonal Array, OA)的使用以進行偏移饋入的倒L天線設計及其延伸。目標設定在設計一種平面式的雙頻天線,期待能在有限且少量次數的迭代次數內,使天線結構達到我們所要求之優化設計。
藉由偏移饋入(offset-fed)的結構以及耦合strip的引進而形成雙頻天線,進一步衍伸出非對稱的T型結構則可以加大低頻段的頻寬,目標在設計一符合WLAN雙頻頻段(2.4GHz、5.2GHz及5.8GHz)的天線,實務上則以IPEX同軸線作為饋入線材。
本論文中的天線採用厚0.8mm 的FR4 印刷電路板(相對介電係數為4.4、Dielectric Loss Tangent 為0.02)來進行模擬分析與設計與設計,並進行如下的優化設計、並和實作結果相驗證。
為了完成上述的創新迭代設計過程,首先得根據具耦合strip的偏移饋入(offset-fed)的倒L結構,選定設計/調配之結構參數以及參數
之位準(level),建立一個適當之直交表;之後再以電磁模擬軟體執行直交表上的部份因子實驗,進行少量且有限次數的迭代;依據模擬數據來計算不同因子實驗之適應值,以進行天線參數之優化,目的在測試本論文得設計方法是否能在進行少量且有限次數的迭代之後,滿足預先規畫的頻段規格要求。
在本研究中,我們分別測試了只使用一階段(五次或十次迭代) 的搜尋方式,以及使用兩階段(每階段各五次迭代)的搜尋方式來運用田口最佳化法以進行有限次數的搜尋,模擬結果顯示應用連續直交表的設計方法被證明具有快速收斂的特性,設計者可依照此方法明確且快速地搜尋到符合期望輸出的參數組合。
英文摘要 In this thesis, the application of Orthogonal Array (OA) to design an offset-fed inverted L antenna through a novel iterative procedure is investigated. The objective is to design a planar dual-band antenna. A coaxial-fed inverted L antenna structure and its extension is optimized through the proposed novel procedure. It is expected that within a certain limited small iterations the S11 characteristics of the antenna can satisfy the required specification.
The offset-fed inverted L antenna associated with a coupled strip exhibit dual-band structure. Moreover, it is found that the bandwidth at the low band can be widened by suitable extending the inverted L shape to un-symmetric T shape. The goal is to design a dual-band antenna with frequency range covering the WLAN (802.11a/b/g/n) application. The antenna is fed by a IPEX coaxial line, in practice.
The antenna concerned is assumed to reside on an FR4 substrate (of thickness of 0.8mm, and with relative dielectric constant of 4.4 and loss tangent~0.02), and. For the above conditions, the antenna simulation and the iteratively optimized design are carried out, and finally the novel antennas are fabricated and verified by measurement.

For the novel iterative design procedure, the parameters of the inverted L antenna with coupled strip are first choice, and their ranges are suitably set, then a corresponding OA can be established. Next, the fractional factorial experiments of the OA are carried out by using the commercial electromagnetic simulation software. Based on the simulation results, the fitness of the fractional factorial experiments are calculated such that the limited small number of iterations is conducted to optimize the antenna parameters. The objective is to test that whether the proposed novel antenna design procedure work to have the convergent antenna meet the pre-set frequency requirement or not,
As compared to other design method, the most important feature of the proposed novel method is the utilization of the OA, which exhibits the uniformity for the occurrence of each level of the parameters. The inclusion of OA is expected to accelerate the design process, reduce the search time. When the OA is combined with the range reduction technique, it is found quite suitable to serve as an alternative for antenna design.
In this study, we test two kinds of design procedure with one phase and two phases, respectively, in order to utilize OAs within a limited number of iterations. For the one-phase case, 5 iterations or 10 iterations are tested, while for the two-phase case, there are 5 iterations for each phase. The test results show that the proposed novel methods utilizing consecutive OAs are able to obtain good results in a fast way.
論文目次 目錄
中文摘要 II
英文摘要 IV
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 偏移饋入ila天線之設計原理 7
2.1倒L天線(Inverted L Antenna, ILA)的原理 7
2.1.1 單極天線與倒L型天線之特性比較 8
2.2偏移饋入位置改善後的之倒L型天線 11
2.3偏移饋入ILA天線(2.4GHz)簡介 14
2.4連續直交表 15
第三章 以連續直交表進行天線參數最佳化 21
3.1 簡介 21
3.2設計天線參數及位準進行連續直交表的迭代 21
3.3增加寄生元件Strip以期雙頻應用 26
3.3.1縮小搜尋範圍以延伸連續直交表的迭代次數 36
3.3.2以相同偏移饋入ILA及引入strip結構應用於雙頻(包含
5.8 GHz) 48
3.4衍伸倒L為對稱T形天線以期低頻寬頻 60
3.4.1改良T型對稱結構使其寬頻 65
3.5將改良T型結構改為非對稱 70
3.6非對稱T型結構引入寄生元件Strip以期雙頻 86
3.6.1以相同非對稱T型及引入strip結構應用於雙頻(包含
5.8 GHz) 107
第四章 結論 123
參考文獻 129


圖目錄
圖2.1倒L型天線的示意圖 7
圖2.2單極天線被彎曲(Bend)成倒L型天線的示意圖 9
圖2.3不同高度H與彎曲長度L1的倒L型天線之反射係數幅度模擬
圖 9
圖2.4不同高度H與彎曲長度L1的倒L型天線的輸入阻抗圖 10
圖2.5天線之結構圖(a)傳統饋入的倒L天線(b)偏移饋入的倒L天線
12
圖2.6傳統ILA與偏移饋入的ILA之反射係數幅度模擬圖 13
圖2.7傳統ILA與偏移饋入的ILA之輸入阻抗圖 13
圖2.8將尺寸縮小後的偏移饋入ILA(2.4G)天線的結構圖示意圖 15
圖2.9田口最佳化法流程圖 20
圖3.1初始偏移饋入ILA天線結構示意圖 23
圖3.2第一次迭代做驗證實驗後的反射係數幅度圖 23
圖3.3第二次迭代做驗證實驗後的反射係數幅度圖 24
圖3.4第三次迭代做驗證實驗後的反射係數幅度圖 24
圖3.5第四次迭代做驗證實驗後的反射係數幅度圖 25
圖3.6第五次迭代做驗證實驗後的反射係數幅度圖 25
圖3.7偏移饋入ILA天線經五次等差迭代的S11變化圖 26
圖3.8偏移饋入ILA天線增加strip後各參數之結構示意圖 30
圖3.9第一次迭代做驗證實驗後的反射係數幅度圖 30
圖3.10第二次迭代做驗證實驗後的反射係數幅度圖 31
圖3.11第三次迭代做驗證實驗後的反射係數幅度圖 31
圖3.12第四次迭代做驗證實驗後的反射係數幅度圖 32
圖3.13第五次迭代做驗證實驗後的反射係數幅度圖 32
圖3.14五次迭代實驗之反射係數幅度變化圖 33
圖3.15第二階段之第一次迭代做驗證實驗後的反射係數幅度圖 38
圖3.16第二階段之第二次迭代做驗證實驗後的反射係數幅度圖 39
圖3.17第二階段之第三次迭代做驗證實驗後的反射係數幅度圖 39
圖3.18第二階段之第四次迭代做驗證實驗後的反射係數幅度圖 40
圖3.19第二階段之第五次迭代做驗證實驗後的反射係數幅度圖 40
圖3.20第二階段之五次迭代實驗之反射係數幅度變化圖 41
圖3.21參數L1微小變動對S11參數之影響 41
圖3.22參數L2微小變動對S11參數之影響 42
圖3.23參數H微小變動對S11參數之影響 42
圖3.24參數d1微小變動對S11參數之影響 43
圖3.25參數d2微小變動對S11參數之影響 43
圖3.26參數G2微小變動對S11參數之影響 44
圖3.27偏移饋入ILA增加strip之最佳化後的尺寸天線結構示意圖
44
圖3.28偏移饋入ILA增加strip之最佳化後的天線結構實體圖 45
圖3.29偏移饋入ILA增加strip天線最佳化後實測與模擬S11比較圖
45
圖3.30偏移饋入ILA天線增加strip於天線H-plane(X-Z平面)的輻射
場型模擬與實測結果(@2.4GHz) 46
圖3.31偏移饋入ILA天線增加strip於天線H-plane(X-Z平面)的輻射
場型模擬與實測結果(@5.2GHz) 46
圖3.32偏移饋入ILA天線增加strip於天線E-plane(Y-Z平面)的輻射
場型模擬與實測結果(@2.4GHz) 47
圖3.33偏移饋入ILA天線增加strip於天線E-plane(Y-Z平面)的輻射
場型模擬與實測結果(@5.2GHz) 47
圖3.34第一次迭代做驗證實驗後的反射係數幅度圖 51
圖3.35第二次迭代做驗證實驗後的反射係數幅度圖 51
圖3.36第三次迭代做驗證實驗後的反射係數幅度圖 52
圖3.37第四次迭代做驗證實驗後的反射係數幅度圖 52
圖3.38第五次迭代做驗證實驗後的反射係數幅度圖 53
圖3.39五次迭代實驗之反射係數幅度變化圖 53
圖3.40參數L1微小變動對S11參數之影響 54
圖3.41參數L2微小變動對S11參數之影響 54
圖3.42參數H微小變動對S11參數之影響 55
圖3.43參數d1微小變動對S11參數之影響 55
圖3.44參數d2微小變動對S11參數之影響 56
圖3.45參數G2微小變動對S11參數之影響 56
圖3.46偏移饋入ILA增加strip之最佳化後的天線結構實體圖 57
圖3.47偏移饋入ILA增加strip天線最佳化後實測與模擬S11比較圖
57
圖3.48偏移饋入ILA天線增加strip於天線H-plane(X-Z平面)的輻射
場型模擬與實測結果(@2.4GHz) 58
圖3.49偏移饋入ILA天線增加strip於天線H-plane(X-Z平面)的輻射
場型模擬與實測結果(@5.8GHz) 58
圖3.50偏移饋入ILA天線增加strip於天線E-plane(Y-Z平面)的輻射
場型模擬與實測結果(@2.4GHz) 59
圖3.51偏移饋入ILA天線增加strip於天線E-plane(Y-Z平面)的輻射
場型模擬與實測結果(@5.8GHz) 59
圖3.52 T型對稱的天線結構示意圖 61
圖3.53第一次至第四次迭代做驗證實驗後的反射係數幅度圖 (T型對
稱天線) 62
圖3.54五次迭代實驗之反射係數幅度變化圖(T型對稱天線) 62
圖3.55第二階段之五次迭代實驗之反射係數幅度變化圖(T型對稱天
線) 63
圖3.56第二階段之第五次迭代做驗證實驗後的反射係數幅度圖 (T型
對稱天線) 63
圖3.57針對對稱T形天線於1.83GHz (Phase=0°)所對應電流向量圖
64
圖3.58針對對稱T形天線於2.49GHz (Phase=0°)所對應電流向量圖
64
圖3.59改良T型對稱天線的結構示意圖 68
圖3.60五次迭代實驗之S11變化圖(改良T型對稱天線) 68
圖3.61第二階段之五次迭代實驗之S11變化圖(改良T型對稱天線)
69
圖3.62變形T型非對稱的天線結構示意圖 73
圖3.63第一次迭代做驗證實驗後的S11圖(變形T型非對稱天線) 74
圖3.64第二次迭代做驗證實驗後的S11圖(變形T型非對稱天線) 74
圖3.65第三次迭代做驗證實驗後的S11圖(變形T型非對稱天線) 75
圖3.66第四次迭代做驗證實驗後的S11圖(變形T型非對稱天線) 75
圖3.67第五次迭代做驗證實驗後的S11圖(變形T型非對稱天線) 76
圖3.68五次迭代實驗之S11變化圖(變形T型非對稱天線) 76
圖3.69針對變形T型非對稱天線,第三次迭代做驗證實驗,在
2.22GHz(Phase=245°)所對應的電流向量圖 77
圖3.70針對變形T型非對稱天線,第三次迭代做驗證實驗,在2.22GHz(Phase=105°)所對應的電流向量圖 77
圖3.71針對變形T型非對稱天線,第三次迭代做驗證實驗,在2.66GHz(Phase=0°)所對應的電流向量圖 78
圖3.72參數L1微小變動對S11參數之影響(變形T型非對稱天線)
.78
圖3.72參數L2微小變動對S11參數之影響(變形T型非對稱天線)
.79
圖3.74參數H微小變動對S11參數之影響(變形T型非對稱天線)
.79
圖3.75參數L3微小變動對S11參數之影響(變形T型非對稱天線)
.80
圖3.76參數S2微小變動對S11參數之影響(變形T型非對稱天線)
80
圖3.77參數S3微小變動對S11參數之影響(變形T型非對稱天線)
81
圖3.78參數Ws微小變動對S11參數之影響(變形T型非對稱天線)
81
圖3.79變形T型非對稱天線之第一次迭代後的結構實體圖 82
圖3.80變形T型非對稱天線之第一次迭代後實測與模擬S11比較圖
82
圖3.81變形T型非對稱天線之第一次迭代於天線H-plane(X-Z平面)
的輻射場型模擬與實測結果(@2.4GHz) 83
圖3.82變形T型非對稱天線之第一次迭代於天線E-plane(Y-Z平面)
的輻射場型模擬與實測結果(@2.4GHz) 83
圖3.83變形T型非對稱天線之第三次迭代後的結構實體圖 84
圖3.84變形T型非對稱天線之第三次迭代後實測與模擬S11比較圖
84
圖3.85變形T型非對稱天線之第三次迭代於天線H-plane(X-Z平面)
的輻射場型模擬與實測結果(@2.4GHz) 85
圖3.86變形T型非對稱天線之第三次迭代於天線E-plane(Y-Z平面)
的輻射場型模擬與實測結果(@2.4GHz) 85
圖3.87變形T型非對稱的天線增加strip後各參數之結構示意圖 91
圖3.88第一次迭代做驗證實驗後的反射係數幅度圖 (非對稱T型天
線-with strip) 91
圖3.89第二次迭代做驗證實驗後的反射係數幅度圖 (非對稱T型天
線-with strip) 92
圖3.90第三次迭代做驗證實驗後的反射係數幅度圖 (非對稱T型天
線-with strip) 92
圖3.91第四次迭代做驗證實驗後的反射係數幅度圖 (非對稱T型天
線-with strip) 93
圖3.92第五次迭代做驗證實驗後的反射係數幅度圖 (非對稱T型天
線-with strip) 93
圖3.93五次迭代實驗之反射係數幅度變化圖(非對稱T型天線-with
strip) 94
圖3.94第二階段第一次迭代做驗證實驗後的反射係數幅度圖 (非對
稱T型天線-with strip) 94
圖3.95第二階段第二次迭代做驗證實驗後的反射係數幅度圖 (非對
稱T型天線-with strip) 95
圖3.96第二階段之第三次迭代做驗證實驗後的反射係數幅度圖 (非
對稱T型天線-with strip) 95
圖3.97第二階段之第四次迭代做驗證實驗後的反射係數幅度圖 (非
對稱T型天線-with strip) 96
圖3.98第二階段之第五次迭代做驗證實驗後的反射係數幅度圖 (非
對稱T型天線-with strip) 96
圖3.99第二階段之五次迭代實驗之反射係數幅度變化圖(非對稱T型
天線-with strip) 97
圖3.100針對改良T型非對稱結構引入Strip天線,第五次迭代做驗
證實驗,在2.14GHz(Phase=55°)所對應的電流向量圖 97
圖3.101針對變形T型非對稱結構引入Strip天線,第五次迭代做驗
證實驗,在2.51GHz(Phase=0°)所對應的電流向量圖 98
圖3.102針對變形T型非對稱結構引入Strip天線,第五次迭代做驗
證實驗,在5.15GHz(Phase=90°)所對應的電流向量圖 98
圖3.103參數L1微小變動對S11參數之影響 99
圖3.104參數L2微小變動對S11參數之影響 99
圖3.105參數H微小變動對S11參數之影響 100
圖3.106參數L3微小變動對S11參數之影響 100
圖3.107參數S2微小變動對S11參數之影響 101
圖3.108參數S3微小變動對S11參數之影響 101
圖3.109參數Ws微小變動對S11參數之影響 102
圖3.110參數d2微小變動對S11參數之影響 102
圖3.111參數d3微小變動對S11參數之影響 103
圖3.112參數G2微小變動對S11參數之影響 103
圖3.113變形T型非對稱結構增加strip之最佳化後的天線結構實體圖
104
圖3.114變形T型非對稱結構增加strip天線之最佳化後實測與模擬
S11比較圖 104
圖3.115變形T型非對稱結構增加strip於天線H-plane(X-Z平面)的
輻射場型模擬與實測結果(@2.4GHz) 105
圖3.116變形T型非對稱結構增加strip於天線H-plane(X-Z平面)的
輻射場型模擬與實測結果(@5.2GHz) 105
圖3.117變形T型非對稱結構增加strip於天線E-plane(Y-Z平面)的輻
射場型模擬與實測結果(@2.4GHz) 106
圖3.118變形T型非對稱結構增加strip於天線E-plane(Y-Z平面)的輻
射場型模擬與實測結果(@5.2GHz) 106
圖3.119第一次迭代做驗證實驗後的S11圖(雙頻非對稱T型天線)
110
圖3.120第二次迭代做驗證實驗後的S11圖(雙頻非對稱T型天線)
110
圖3.121第三次迭代做驗證實驗後的S11圖(雙頻非對稱T型天線) 111
圖3.122第四次迭代做驗證實驗後的S11圖(雙頻非對稱T型天線) 111
圖3.123第五次迭代做驗證實驗後的S11圖(雙頻非對稱T型天線) 112
圖3.124五次迭代實驗之S11變化圖(雙頻非對稱T型天線) 112
圖3.125針對改良T型非對稱結構引入Strip天線,第五次迭代做驗
證實驗,在2.38GHz(Phase=75°)所對應的電流向量圖 113
圖3.126針對變形T型非對稱結構引入Strip天線,第五次迭代做驗
證實驗,在2.5GHz(Phase=170°)所對應的電流向量圖 113
圖3.127針對變形T型非對稱結構引入Strip天線,第五次迭代做驗
證實驗,在5.82GHz(Phase=0°)所對應的電流向量圖 114
圖3.128參數L1微小變動對S11參數之影響(雙頻非對稱T型天線) 114
圖3.129參數L2微小變動對S11參數之影響(雙頻非對稱T型天線) 115
圖3.130參數H微小變動對S11參數之影響(雙頻非對稱T型天線) 115
圖3.131參數L3微小變動對S11參數之影響(雙頻非對稱T型天線) 116
圖3.132參數S2微小變動對S11參數之影響(雙頻非對稱T型天線) 116
圖3.133參數S3微小變動對S11參數之影響(雙頻非對稱T型天線) 117
圖3.134參數Ws微小變動對S11參數之影響(雙頻非對稱T型天線)
117
圖3.135參數d2微小變動對S11參數之影響(雙頻非對稱T型天線)
118
圖3.136參數d3微小變動對S11參數之影響(雙頻非對稱T型天線) 118
圖3.137參數G2微小變動對S11參數之影響(雙頻非對稱T型天線) 119
圖3.138變形T型非對稱結構增加strip之最佳化後的天線結構實體圖
119
圖3.139變形T型非對稱結構增加strip天線之最佳化後實測與模擬S11比較圖 120
圖3.140變形T型非對稱結構增加strip於天線H-plane(X-Z平面)的
輻射場型模擬與實測結果(@2.4GHz) 120
圖3.141變形T型非對稱結構增加strip於天線H-plane(X-Z平面)的
輻射場型模擬與實測結果(@5.8GHz) 121
圖3.142變形T型非對稱結構增加strip於天線E-plane(Y-Z平面)的輻
射場型模擬與實測結果(@2.4GHz) 121
圖3.143變形T型非對稱結構增加strip於天線E-plane(Y-Z平面)的輻射場型模擬與實測結果(@5.8GHz) 122


表目錄
表2.1虛部為零,實部與共振頻率隨高度H改變時之對照表 11
表2.2常用之直交表(a)直交表OA(9,3,3,2) (b)直交表OA(18,5,3,2) 19
表3.1第一代含各參數數值之直交表 29
表3.2 OA(18,6,3,2)在第一次迭代之位準、目標函數值及訊號雜訊比
34
表3.3第一次迭代後經由計算所得之響應表 35
表3.4第一次迭代後經由響應表所選取之該代最佳參數組合 35
表3.5第一代七個參數之直交表 67
表3.6 27次實驗10個參數之直交表 90
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