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系統識別號 U0002-2707200923140700
中文論文名稱 平面迴圈及倒F天線整合之研究
英文論文名稱 Integration of Planar Loop Antennas and Inverted F Antennas
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 97
學期 2
出版年 98
研究生中文姓名 凌雅寬
研究生英文姓名 Ya-Kuan Ling
學號 696440261
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2009-07-14
論文頁數 99頁
口試委員 指導教授-李慶烈
委員-李慶烈
委員-丘建青
委員-張知難
委員-陳一鋒
中文關鍵字 多頻  平面天線  平面倒F天線  迴路天線  彎折型天線 
英文關鍵字 Multi-Band  Planar Antenna  PIFA  Loop Antenna  Meander Antenna 
學科別分類 學科別應用科學電機及電子
中文摘要 隨著無線通訊技術的快速發展,無線通訊應用也越來越廣泛。為了兼容多個通訊系統的標準,對於雙頻或是多頻天線之需求也與日俱增。而傳統的多頻天線通常以分集或是植入槽孔的設計架構,容易有體積大、占空間的問題。
本研究以全平面式的結構與直接饋入的方式來設計天線,使其與基板較易整合,採用厚0.8mm的FR4基板,以相對介電係數(Relative Permittivity)為4.4,Dielectric Loss Tangent為0.02,來進行模擬並和實驗相驗證,設計可達到GPS、ISM、WLAN與GPS、(DCS/PCS)或(PCS/UMTS)、WLAN(5.8GHz頻段)的三種多頻天線架構。
首先以操作在1/4波長的平面單極天線作為天線的初始結構探討,為了進一步縮小天線的尺寸,吾人深入比較平面倒L型天線與平面倒F型天線的特性,並且以倒F天線的架構為基礎下,引進了具有多頻模態的整合型天線結構。為了要設計出符合無線通信系統的多頻段天線,除了利用一適當彎折的迴路天線來調整模態頻率比,滿足多頻操作的需求外,更進一步結合激發模態相近的倒L型天線與加入接地面的寄生結構來調整阻抗匹配達成增加頻寬的目的。
一些天線原型的實作量測結果與模擬皆非常相近,頻寬方面,分別可使低頻的(DCS/PCS)及(PCS/UMTS)頻帶由原頻寬比為6.64%增加至19.58%及20.37%;高頻WLAN頻帶則最多可由原來的2.06%增加至18.38%。輻射場形的部分,實測結果顯示其H-plane(XZ-plane)在各個共振頻率點上均能有不錯的全方向(Omni-Directional)輻射場型特性。
英文摘要 With the rapid development of wireless communication technique, there are continuous needs for dual-band/multi-band antennas to fulfill the application for various communication systems. The conventional multi-band antennas are usually designed through diversity structure or slot loading. But it usually ends up with relatively large volume.
In this research, three full planer antennas are proposed for GPS、ISM、WLAN and GPS、(DCS/PCS) or (PCS/UMTS)、WLAN(5.8GHz) applications, respectively. These antennas are fed directly by a 50Ω coaxial line and fabricated on the FR4 substrate of thickness 0.8mm, whose relative permittivity is 4.4 and loss tangent is 0.02.
At the beginning, we consider a quarter-wavelength planar monopole antenna structure. To reduce the antenna size, a combo antenna with multi-mode is introduced after the investigation of the characteristics of planar inverted L/F antennas. Meanwhile, a meander loop antenna is proposed to control the frequency ratio of the multiple resonant modes. In order to achieve good impedance matching, and to broaden the bandwidth, the meander loop antenna is combined with the inverted L antenna and an parasitic stub on the ground.
The proposed antennas are carefully studied and experimentally verified. The lower band bandwidth in (DCS/PCS) and (PCS/UMTS) is improved from 6.64% to 19.58% and 20.37%, respectively; while, the higher band bandwidth in WLAN is improved from 2.06% to 18.38%. Moreover, the radiation patterns exhibit omni-directional characteristics in H plane (x-z plane) for all resonant frequencies.
論文目次 目錄

中文摘要 III
英文摘要 V
第一章 序論 1
1.1 研究背景 1
1.2 研究動機 2
1.3 論文架構 5

第二章 天線原理 6
2.1 單極天線 6
2.2 倒L型天線 (Inverted L Antenna, ILA) 8
2.2.1 單極天線與倒L型天線的特性比較 9
2.3 倒F型天線 (Inverted F Antenna, IFA) 12
2.3.1 倒L型天線與倒F型天線的特性比較 13
2.4 整合型天線(Combo Antenna) 18
2.4.1 迴路型天線(Loop Antenna) 22

第三章 天線設計與模擬 25
3.1 簡介 25
3.2 彎折型迴路天線(Meander Loop Antenna) 25
3.3 結合彎折型迴路天線與倒L天線的整合型天線結構 29
3.3.1 整合型天線初始結構參數調整 38
3.3.2 設計接地面寄生以達到高頻匹配的天線結構 42
3.3.3 接地面縮小化 48
3.3.4 實作與量測 52
3.4 設計達到GPS、(DCS/PCS)或(PCS/UNMTS)、WLAN (5.8GHz頻段)的多頻整合型天線結構 58
3.4.1 整合型天線(Lm=5mm)初始結構參數調整 70
3.4.2 設計接地面寄生以達到高頻匹配的天線結構 74
3.4.3 實作與量測 80
3.4.4 天線參數探討 86

第四章 結論 95

參考文獻 97

圖目錄

圖 2.1 (a) 單極天線 (b)單極天線電流分佈 6
圖 2.2 (a) 偶極天線及其輻射場形 (b)偶極天線有著串聯的電壓與對稱的平面 (c)單極天線在一接地面上 8
圖 2.3倒L型天線的示意圖 9
圖 2.4單極天線被彎曲(Bend)成倒L型天線的示意圖 10
圖 2.5 倒L型天線 (L=26mm,H=6.47mm)在頻率1.8GHz時的電流分佈圖 10
圖 2.6 不同高度H與彎曲長度L的倒L型天線反射損耗模擬圖 11
圖 2.7 不同高度H與彎曲長度L的倒L型天線的輸入阻抗圖 11
圖 2.8 倒F型天線的示意圖 13
圖 2.9 倒F型天線圖(L=26mm, H=6.47mm, d=1.5mm) 14
圖 2.10倒F型天線(L=26mm,H=6.47mm,d=1.5mm)的輸入阻抗圖 15
圖 2.11倒L型天線圖與迴路型(Loop)天線圖的結構示意 15-16
圖 2.12倒L型天線(L=26mm,H=6.47mm)與迴路型(Loop)天線於頻率1.68 GHz時的虛部阻抗圖 16
圖 2.13倒L型天線(L=26mm,H=6.47mm)與倒F型天線( L=26mm, H=6.47mm, d=1.5mm)的反射損耗值(Return Loss)圖 17
圖 2.14倒L型天線(L=26mm,H=6.47mm)的輸入阻抗圖 17
圖 2.15整合型天線的結構示意圖 19
圖 2.16整合型天線與倒F型天線( L=26mm, H=6.47mm, d=1.5mm)的反射損耗值(Return Loss)圖 19
圖 2.17整合型天線在各頻率的電流分佈圖 20-21
圖 2.18整合型天線的輸入阻抗圖 21
圖 2.19迴路型天線 (L=26mm, d=29.97mm, H1=3.47mm)的結構示意圖 22
圖 2.20圖2.19的迴路型天線在頻率3.4GHz的電流分佈圖 23
圖 2.21迴路型天線(L=26mm, d=29.97mm, H1=3.47mm)反射損耗圖 23
圖 2.22迴路型天線(L=26mm, d=29.97mm, H1=3.47mm)的輸入阻抗圖24
圖 3.1 彎折型迴路天線圖 27
圖 3.2 彎折型迴路天線反射損耗值圖 28
圖 3.3 彎折型迴路天線的輸入阻抗圖 28
圖 3.4 結合彎折型迴路天線與倒L天線的整合型天線圖 31
圖 3.5 倒L型天線與整合型天線的反射損耗值(Return Loss)圖 32
圖 3.6 倒L型天線的輸入阻抗圖 33
圖 3.7 彎折型迴路天線的輸入阻抗圖 34
圖 3.8 整合型天線的輸入阻抗圖 35
圖 3.9 整合型天線在各頻率點的電流分佈圖 36-37
圖 3.10調整參數Lm2後的整合型天線圖 39
圖 3.11調整參數Lm2後的整合型天線反射損耗值圖 40
圖 3.12調整參數Lm2後的整合型天線的輸入阻抗圖 41
圖 3.13加上接地面寄生結構的整合型天線圖 43
圖 3.14寄生結構Lpc長度變動時,其反射損耗值變化圖 44
圖 3.15寄生結構Lpc長度變動時的輸入阻抗比較圖 45
圖 3.16加上接地面寄生結構的整合型天線在各頻率點的電流分佈圖
46-47
圖 3.17接地面縮小化的整合型天線結構圖 49
圖 3.18接地面縮小化的整合型天線之反射損耗圖 50
圖 3.19接地面縮小化的整合型天線的輸入阻抗圖 51
圖 3.20接地面縮小化整合型天線實體圖 53
圖 3.21接地面縮小化整合型天線反射損耗值圖 53
圖 3.22接地面縮小化整合型天線H-plane(X-Z平面)輻射場型模擬與實測結果(@1.57GHz) 54
圖 3.23接地面縮小化整合型天線H-plane(X-Z平面)輻射場型模擬與實測結果(@2.45GHz) 54
圖 3.24接地面縮小化整合型天線H-plane(X-Z平面)輻射場型模擬與實測結果(@5.2GHz) 55
圖 3.25接地面縮小化整合型天線H-plane(X-Z平面)輻射場型模擬與實測結果(@5.8GHz) 55
圖 3.26接地面縮小化整合型天線E-plane(Y-Z平面)輻射場型模擬與實測結果(@1.57GHz) 56
圖 3.27接地面縮小化整合型天線E-plane(Y-Z平面)輻射場型模擬與實測結果(@2.45GHz) 56
圖 3.28接地面縮小化整合型天線E-plane(Y-Z平面)輻射場型模擬與實測結果(@5.2GHz) 57
圖 3.29接地面縮小化整合型天線E-plane(Y-Z平面)輻射場型模擬與實測結果(@5.8GHz) 57
圖 3.30彎折型迴路天線(Lm=5mm)圖 61
圖 3.31彎折型迴路天線(Lm=5mm)反射損耗值圖 62
圖 3.32結合彎折型迴路天線(Lm=5mm)與倒L天線的整合型天線圖 63
圖 3.33倒L型天線與整合型天線的反射損耗值(Return Loss)圖 64
圖 3.34倒L型天線的輸入阻抗圖 65
圖 3.35彎折型迴路天線(Lm=5mm)的輸入阻抗圖 66
圖 3.36整合型天線(Lm=5mm)的輸入阻抗圖 67
圖 3.37整合型天線(Lm=5mm)在各頻率點的電流分佈圖 68-69
圖 3.38調整參數Lm2、Lm3後的整合型天線圖 71
圖 3.39調整參數Lm2、Lm3的整合型天線反射損耗值圖 72
圖 3.40調整參數Lm2、Lm3的整合型天線輸入阻抗圖 73
圖 3.41加上接地面寄生結構的整合型天線圖 75
圖 3.42加上接地面寄生結構的整合型天線反射損耗值圖 76
圖 3.43加上接地面寄生結構的整合型天線輸入阻抗圖 77
圖 3.44加上接地面寄生結構的整合型天線在各頻率點的電流分佈圖
78-79
圖 3.45加上接地面寄生結構的整合型天線實體圖 81
圖 3.46加上接地面寄生結構的整合型天線反射損耗值圖 81
圖3.47加上接地面寄生結構的整合型天線H-plane(X-Z平面)輻射場型模擬與實測結果(@1.57GHz) 82
圖3.48加上接地面寄生結構的整合型天線H-plane(X-Z平面)輻射場型模擬與實測結果(@1.85GHz) 82
圖3.49加上接地面寄生結構的整合型天線H-plane(X-Z平面)輻射場型模擬與實測結果(@1.95GHz) 83
圖3.50加上接地面寄生結構的整合型天線H-plane(X-Z平面)輻射場型模擬與實測結果(@5.8GHz) 83
圖3.51加上接地面寄生結構的整合型天線E-plane(Y-Z平面)輻射場型模擬與實測結果(@1.57GHz) 84
圖3.52加上接地面寄生結構的整合型天線E-plane(Y-Z平面)輻射場型模擬與實測結果(@1.85GHz) 84
圖3.53加上接地面寄生結構的整合型天線E-plane(Y-Z平面)輻射場型模擬與實測結果(@1.95GHz) 85
圖3.54加上接地面寄生結構的整合型天線E-plane(Y-Z平面)輻射場型模擬與實測結果(@5.8GHz) 85
圖3.55調整參數Wm1(原Wm1=0.5mm)的整合型天線圖 88
圖3.56調整參數Wm1(原Wm1=0.5mm)的整合型天線反射損耗值圖 89
圖3.57調整參數Wm1=0.7mm的整合型天線實體圖 90
圖3.58調整參數Wm1=0.7mm的整合型天線反射損耗值圖 90
圖3.59調整參數Wm1的整合型天線整合型天線H-plane(X-Z平面)輻射
場型模擬與實測結果(@1.57GHz) 91
圖3.60調整參數Wm1的整合型天線整合型天線H-plane(X-Z平面)輻射
場型模擬與實測結果(@1.95GHz) 91
圖3.61調整參數Wm1的整合型天線整合型天線H-plane(X-Z平面)輻射
場型模擬與實測結果(@2.17GHz) 92
圖3.62調整參數Wm1的整合型天線整合型天線H-plane(X-Z平面)輻射
場型模擬與實測結果(@5.8GHz) 92
圖3.63調整參數Wm1的整合型天線整合型天線E-plane(Y-Z平面)輻射
場型模擬與實測結果(@1.57GHz) 93
圖3.64調整參數Wm1的整合型天線整合型天線E-plane(Y-Z平面)輻射
場型模擬與實測結果(@1.95GHz) 93
圖3.65調整參數Wm1的整合型天線整合型天線E-plane(Y-Z平面)輻射
場型模擬與實測結果(@2.17GHz) 94
圖3.66調整參數Wm1的整合型天線整合型天線E-plane(Y-Z平面)輻射
場型模擬與實測結果(@5.8GHz) 94

表目錄

表 1.1 無線通訊系統各頻段規範範圍表 4
表 2.1 虛部為零,實部與共振頻率隨高度H改變時的變化表 12
表 3.1 彎折型迴路天線各參數長度 27
表 3.2 結合彎折型迴路天線與倒L天線的整合型天線各參數長度 31
表 3.3 調整尺寸後的整合型天線各參數長度 39
表 3.4 加上接地面寄生結構的整合型天線各參數長度 43-44
表 3.5 接地面縮小化的整合型天線各參數長度 49-50
表 3.6 彎折型迴路天線(Lm=5mm)各參數長度 61
表 3.7 結合彎折型迴路天線與倒L天線的整合型天線各參數長度 63
表 3.8 調整尺寸Lm2、Lm3後的整合型天線各參數長度 71-72
表 3.9 加上接地面寄生結構的整合型天線各參數長度 75-76
表 3.10 調整參數Wm1(原Wm1=0.5mm)的整合型天線各參數長度 88-89
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