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天
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線
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設
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計
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積
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體
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電
電
路
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系
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統
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指 導 老 師：魏嘉延
專題製作學生：四技電子四甲 吳孟儒 BQ94028
四技電子四甲 陳宗郁 BQ94038
修 平 技 術 學 院
電 子 工 程 系
DEPARTMENT OF ELECTRONIC ENGINEERING
HSIU-PING INSTITUTE OF TECHNOLOGY
摘
摘
摘
摘
要
要
要
要
本文提出在印刷電路板上，探討設計小型化蝴蝶形天線。其天線製作 材料主要為 FR4 板，並藉由微帶天線的優點：體積小、重量輕、低成本、 容易製作與分析等特性，來設計適用於寬頻通訊系統的天線。並探討各項 參數對天線 S11 的影響，透過以上的設計經驗與分析結果，進一步設計出 基礎的蝴蝶形天線。最後在不同的環境中，它可以適合用於真實超寬頻的 應用。目錄
目錄
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摘要
摘要
摘要
摘要
第一章 第一章 第一章 第一章 緒論緒論緒論緒論 1 1 1 1----1 1 1 研究動機1 研究動機研究動機………研究動機………5………555 1 1 1 1----222 2 蝴蝶形蝴蝶形天線蝴蝶形蝴蝶形天線天線………天線………6………666 第二章 第二章 第二章 第二章 蝴蝶形天線蝴蝶形天線蝴蝶形天線蝴蝶形天線的設計與實驗的設計與實驗的設計與實驗的設計與實驗 2 2 2 2----1 1 1 蝴1 蝴蝴蝶形天線蝴蝶形天線蝶形天線特性分析蝶形天線特性分析...特性分析特性分析...10...101010 222-2---2 2 2 天線的2 天線的天線的 3D天線的3D 圖與平面場型圖3D3D圖與平面場型圖圖與平面場型圖圖與平面場型圖... ... ...1...1...1...1222 2 第 第 第 第三三三三章章章章 結論結論結論 結論 3 3 3 3--1--111 結論與心得結論與心得結論與心得結論與心得... ... ...1...1...1...1222 2 參考文獻 參考文獻 參考文獻 參考文獻 ………13131313第一章 緒論
全球進入無線通訊科技的時代已經有好長的一段時間 全球進入無線通訊科技的時代已經有好長的一段時間 全球進入無線通訊科技的時代已經有好長的一段時間 全球進入無線通訊科技的時代已經有好長的一段時間，，，，而無線通訊產品而無線通訊產品而無線通訊產品而無線通訊產品 也一直不斷的更新 也一直不斷的更新 也一直不斷的更新 也一直不斷的更新，，，早期，早期早期，早期，，我們對電子通訊產品的要求只限於，我們對電子通訊產品的要求只限於我們對電子通訊產品的要求只限於我們對電子通訊產品的要求只限於簡單的文字訊簡單的文字訊簡單的文字訊簡單的文字訊 息與語音的傳送 息與語音的傳送 息與語音的傳送 息與語音的傳送，，，但現在對於立即影像傳送與線上瀏覽等大量資料的傳遞需，但現在對於立即影像傳送與線上瀏覽等大量資料的傳遞需但現在對於立即影像傳送與線上瀏覽等大量資料的傳遞需但現在對於立即影像傳送與線上瀏覽等大量資料的傳遞需 求 求 求 求，，，，已漸漸成為我們生活所需的一部分已漸漸成為我們生活所需的一部分已漸漸成為我們生活所需的一部分已漸漸成為我們生活所需的一部分，，而且重要性越來越高，，而且重要性越來越高而且重要性越來越高而且重要性越來越高。。。。從過去不注從過去不注從過去不注從過去不注 重外型 重外型 重外型 重外型、、、、體積大小體積大小體積大小，體積大小，只在意功能可不可以達到目的，，只在意功能可不可以達到目的只在意功能可不可以達到目的只在意功能可不可以達到目的，，，，到如今現在人看待無線到如今現在人看待無線到如今現在人看待無線到如今現在人看待無線 通訊產 通訊產 通訊產 通訊產品必須強調輕薄短小及美觀品必須強調輕薄短小及美觀品必須強調輕薄短小及美觀品必須強調輕薄短小及美觀，，，，並且要能攜帶方便並且要能攜帶方便並且要能攜帶方便，並且要能攜帶方便，，更重要的事多種通，更重要的事多種通更重要的事多種通更重要的事多種通 訊功能合而 訊功能合而 訊功能合而 訊功能合而為一的服務為一的服務為一的服務為一的服務。。。。此時寬頻對我們來說是非常重要的一環此時寬頻對我們來說是非常重要的一環此時寬頻對我們來說是非常重要的一環，此時寬頻對我們來說是非常重要的一環，，因為每項，因為每項因為每項因為每項 服務都需要靠某些頻帶來傳送與接收資料 服務都需要靠某些頻帶來傳送與接收資料 服務都需要靠某些頻帶來傳送與接收資料 服務都需要靠某些頻帶來傳送與接收資料，，，所以第一要件就是負責收發訊號，所以第一要件就是負責收發訊號所以第一要件就是負責收發訊號所以第一要件就是負責收發訊號 的天線必須要寬頻且品質要好 的天線必須要寬頻且品質要好 的天線必須要寬頻且品質要好 的天線必須要寬頻且品質要好，，，，此時才能同時有高傳輸速度來提供多種不同此時才能同時有高傳輸速度來提供多種不同此時才能同時有高傳輸速度來提供多種不同此時才能同時有高傳輸速度來提供多種不同 的通訊服務 的通訊服務 的通訊服務 的通訊服務。。。。 美國聯邦通信委員會 美國聯邦通信委員會美國聯邦通信委員會美國聯邦通信委員會(Fe(Fe(Federal Communication Commission(Federal Communication Commissionderal Communication Commissionderal Communication Commission，，，，FCC)FCC)FCC)FCC) 在西元 在西元 在西元 在西元 2002200220022002 年年年 2年222 月月 14月月141414 日允許寬頻技術使用於消費性電子產品上日允許寬頻技術使用於消費性電子產品上日允許寬頻技術使用於消費性電子產品上日允許寬頻技術使用於消費性電子產品上，，，，並公佈了並公佈了並公佈了並公佈了 初步規格 初步規格 初步規格 初步規格，，，，開放提供寬頻通信及測試使用開放提供寬頻通信及測試使用開放提供寬頻通信及測試使用開放提供寬頻通信及測試使用。。。。 在日常生活中 在日常生活中 在日常生活中 在日常生活中，，，，可同時提供多種不同的通訊服務中可同時提供多種不同的通訊服務中可同時提供多種不同的通訊服務中，可同時提供多種不同的通訊服務中，，寬頻系統的頻寬剛，寬頻系統的頻寬剛寬頻系統的頻寬剛寬頻系統的頻寬剛 好能夠 好能夠 好能夠 好能夠符符符符合人們的需求合人們的需求合人們的需求合人們的需求。。。。
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1 研究動機
研究動機
研究動機
研究動機
近 近近 近年來年來年來，年來，，由，由由於天線技術的由於天線技術的蓬勃於天線技術的於天線技術的蓬勃蓬勃蓬勃發發發發展展展展，，，，通訊產通訊產業通訊產通訊產業業業成為成為成為成為本世紀本世紀本世紀本世紀的新的新的新的新興興產興興產產產業業業業，，，，而而而而 通訊元件 通訊元件 通訊元件 通訊元件之之之一的天線在通訊上之一的天線在通訊上一的天線在通訊上扮演一的天線在通訊上扮演了扮演扮演了了極了極極重要的極重要的重要的角色重要的角色，角色角色，，，因因因因其具其具其具有質量輕其具有質量輕、有質量輕有質量輕、、、不不不不易被易被易被易被 腐蝕和 腐蝕和 腐蝕和 腐蝕和不不受不不受受電受電電磁波干擾電磁波干擾的磁波干擾磁波干擾的的優點的優點優點，優點，，，現在已經現在已經被廣泛運現在已經現在已經被廣泛運被廣泛運用在被廣泛運用在用在用在各個各個各個通訊各個通訊網路裡通訊通訊網路裡網路裡網路裡。。。。且且且且利利利利 用天線來實 用天線來實 用天線來實 用天線來實作之作之試驗作之作之試驗試驗，試驗，，近，近近幾近幾年來幾幾年來年來亦年來亦亦亦已經成為已經成為已經成為較受已經成為較受重較受較受重重重視視視視的的的的理理論理理論論論之之之之一一一一。。。。 無線電發 無線電發無線電發 無線電發射射機輸射射機輸機輸機輸出出出的出的的射的射頻信號功射射頻信號功頻信號功率頻信號功率率率，，，，通過通過通過饋通過饋線饋饋線線線（（（（電電電電纜纜纜纜））輸送到天線））輸送到天線輸送到天線輸送到天線，，，，由由由由天天天天 線以電 線以電 線以電 線以電磁波磁波形磁波磁波形形式輻射出形式輻射出式輻射出去式輻射出去去。去。電。。電電磁波電磁波磁波磁波到達接收到達接收到達接收地點後到達接收地點後，地點後地點後，，，由由由由天線接天線接天線接下天線接下來下下來來來（（（（僅僅僅僅僅僅僅僅接收接收接收接收 很 很 很 很小小很小小很很小一部分功很小一部分功小一部分功率小一部分功率）率率）），），，並通過，並通過並通過饋並通過饋線送到無線電接收機饋饋線送到無線電接收機線送到無線電接收機。線送到無線電接收機。。可。可可可見見，見見，，，天線是發天線是發天線是發天線是發射和射和射和射和 接收電 接收電 接收電 接收電磁波磁波的一磁波磁波的一的一個的一個個重要的無線電設個重要的無線電設重要的無線電設備重要的無線電設備備，備，沒，，沒沒有天線也就沒有天線也就有天線也就沒有天線也就沒沒沒有無線電通信有無線電通信有無線電通信。有無線電通信。。。 天線品種 天線品種 天線品種 天線品種繁繁繁多繁多多多，，，以供不同頻，以供不同頻率以供不同頻以供不同頻率率率、、、不同用、不同用途不同用不同用途途、途、、、不同場合不同場合、不同場合不同場合、、、不同要求等不同不同要求等不同不同要求等不同不同要求等不同情況情況情況情況 下 下 下 下使用使用使用。使用。。 。 因此因此，因此因此，，若，若若能更發若能更發能更發揮能更發揮揮天線的揮天線的優點天線的天線的優點優點優點並並並並充充充充分分分運分運用於運運用於用於用於工業工業工業工業及及及及商業商業商業商業上所需上所需之上所需上所需之之之需求需求需求需求，，將，，將將使將使使使 各類 各類 各類 各類天線系統天線系統天線系統定天線系統定定更能發定更能發更能發揮更能發揮高度的揮揮高度的高度的準確高度的準確準確準確性及可靠性性及可靠性性及可靠性。性及可靠性。。。1
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2 蝴蝶形
蝴蝶形
蝴蝶形
蝴蝶形天線
天線
天線
天線
蝴蝶形 蝴蝶形蝴蝶形 蝴蝶形天線天線天線和天線和和蝴蝶和蝴蝶非常蝴蝶蝴蝶非常非常相似非常相似相似，相似，，，有有雙極化有有雙極化雙極化雙極化天線天線天線和超天線和超和超和超寬頻的寬頻的功能寬頻的寬頻的功能功能功能，，，，再加再加再加再加 上體積小 上體積小 上體積小 上體積小，，，可靠性高，可靠性高可靠性高可靠性高和低和低和低和低成成本成成本本本，，，，使使其使使其其其成為為小型通信產品的成為為小型通信產品的成為為小型通信產品的成為為小型通信產品的理想理想天線理想理想天線天線天線。。。。典典典典 型的 型的 型的 型的蝴蝶形天線蝴蝶形天線蝴蝶形天線蝴蝶形天線由由由由電電電電路板路板路板路板上的上的上的上的銅銅線銅銅線線線組組組組成的電成的電迴路構成的電成的電迴路構迴路構迴路構成成成。成。。。 假 假 假假設設流設設流流過天線流過天線過天線迴路過天線迴路迴路的電迴路的電的電流的電流為流流為為 1為111，，，那麼，那麼那麼 R那麼RRRradrad 的消radrad的消的消的消耗耗耗耗功功率功功率率率，，，，即即 R即即RRFRFFF 功功功率功率率率為為為為 P
P P
Pradiateradiate=radiateradiate===1111RRradRRrad。radrad。。。電電電電阻阻阻 R阻RRlossRloss 式lossloss式式環形天線因發式環形天線因發環形天線因發熱環形天線因發熱熱熱而消而消而消而消耗耗能量的電耗耗能量的電能量的電能量的電阻模阻模阻模阻模型型型，型，，， 它
它 它
它消消消消耗耗耗耗的功的功的功的功率率率率是一種不可是一種不可避免是一種不可是一種不可避免避免避免的能量的能量的能量的能量損耗損耗損耗損耗，，，，其其 P其其PlossPPlosslossloss====1111 RRlossRRlosslossloss。。。。如如如如果果果果 P
P P
Plossloss>Rlossloss>R>Rrad>Rradrad，rad，，，那麼損耗那麼損耗的功那麼損耗那麼損耗的功的功的功率比率比率比率比實實實實際際際際發發射發發射射射的功的功的功的功率率率率大大大大，，因此，，因此因此這個因此這個這個天線是這個天線是天線是低效天線是低效低效低效 的 的 的 的。。。。天線消天線消天線消天線消耗耗耗耗的功的功率的功的功率率率就是發就是發就是發就是發射射射射功功率和損耗工率之和功功率和損耗工率之和率和損耗工率之和率和損耗工率之和。。。。實實實實際際上際際上上上，，，，環形天線的環形天線的環形天線的環形天線的 設計 設計 設計
設計幾乎幾乎無幾乎幾乎無無無法控制法控制法控制法控制 PPPlossPloss 和lossloss和和 P和PPradPradradrad，，，因為，因為 P因為因為PPlossPlosslossloss 是是是由製作是由製作由製作天線的由製作天線的導天線的天線的導導體的導體的體的體的導導導導電電電電 能
能 能
第二章 蝴蝶形
蝴蝶形
蝴蝶形
蝴蝶形天線的特性
天線的特性
天線的特性
天線的特性
分析
分析
分析
分析
2
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2-
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-1
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1
1 特性分析
特性分析
特性分析
特性分析與量測
與量測
與量測
與量測
圖一為
圖一為
圖一為
圖一為蝴蝶形
蝴蝶形蝴蝶形蝴蝶形天天
天
天線的模擬結構圖
線的模擬結構圖
線的模擬結構圖
線的模擬結構圖，
，
，
，
圖二為其圖二為圖二為圖二為其其蝴蝶形天線實體結其蝴蝶形天線實體結蝴蝶形天線實體結蝴蝶形天線實體結構構圖構構圖圖圖。。。。圖一
圖一
圖一
圖一蝴蝶形
蝴蝶形蝴蝶形天蝴蝶形天
天
天線的模擬結構圖
線的模擬結構圖
線的模擬結構圖
線的模擬結構圖
圖二
圖二
圖二
圖二
蝴蝶形天線結
蝴蝶形天線結蝴蝶形天線結蝴蝶形天線結構構構構圖圖圖圖 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 frequency(GHz) -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 S 1 1 (d B )圖三
圖三
圖三
圖三為
為
為反射損失
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反射損失
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反射損失
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(S11
S11
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)
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藍色曲 藍色曲 藍色曲 藍色曲線為實線為實線為實線為實作作作作圖三
圖三
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圖三為
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(S11
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)
)模擬
)
模擬與實測之曲線
模擬
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與實測之曲線
與實測之曲線比較圖
與實測之曲線
比較圖
比較圖
比較圖。
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。由
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由模擬結果
模擬結果
模擬結果
模擬結果
可知
可知
可知
可知，
，
，
，雖然其特性曲線的趨勢一致
雖然其特性曲線的趨勢一致
雖然其特性曲線的趨勢一致
雖然其特性曲線的趨勢一致，
，不過仍造成頻率偏移
，
，
不過仍造成頻率偏移
不過仍造成頻率偏移，
不過仍造成頻率偏移
，
，
，這
這
這
這
是因為同軸鐀入的長度在模擬實是理想的
是因為同軸鐀入的長度在模擬實是理想的
是因為同軸鐀入的長度在模擬實是理想的
是因為同軸鐀入的長度在模擬實是理想的，
，
，
，但在實際則是會有
但在實際則是會有
但在實際則是會有
但在實際則是會有
長度的誤差
長度的誤差
長度的誤差
長度的誤差，
，
，
，也就會剛好造成頻偏
也就會剛好造成頻偏
也就會剛好造成頻偏
也就會剛好造成頻偏。
。
。另外此結構亦為寬頻天線
。
另外此結構亦為寬頻天線
另外此結構亦為寬頻天線
另外此結構亦為寬頻天線
其可使用範圍可從
其可使用範圍可從
其可使用範圍可從
其可使用範圍可從 2.4G
2.4G
2.4G
2.4G～
～
～
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6G
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6G，
，
，因此此結構的天線應用於超寬頻
，
因此此結構的天線應用於超寬頻
因此此結構的天線應用於超寬頻
因此此結構的天線應用於超寬頻
天線是大有可為的
天線是大有可為的
天線是大有可為的
天線是大有可為的。
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2
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2 天線的
天線的
天線的
天線的 3D
3D 圖與
3D
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圖與
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圖與電磁
電磁
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電磁場型圖
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場型圖
圖三 圖三圖三 圖三 天線的天線的天線的天線的增益值增益值增益值增益值及及 3D及及3D3D 幅射3D幅射幅射立體場型圖幅射立體場型圖立體場型圖立體場型圖 最 最 最最大大 GAIN大大GAINGAINGAIN 值值值在值在在 2.5在2.52.52.5GHzGHz 為GHzGHz為為為 777d7dddBBB。B。。。
0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 0 0 -10 -10 -20 -20 -30 -30 圖 圖 圖
0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 0 0 -10 -10 -20 -20 -30 圖 圖圖
圖五五五 五 天線的天線的天線的天線的 XZXZXZ 平面XZ平面(平面平面(((YYY-Y---aaxaaxxxial ial ial vial vvieviewieiewww)))幅射)幅射幅射幅射場型圖場型圖場型圖場型圖 綠 綠 綠 綠色曲色曲色曲色曲線為線為線為線為模擬模擬模擬模擬之磁之磁之磁之磁場場型圖場場型圖場場型圖場場型圖 紅色曲 紅色曲 紅色曲 紅色曲線為線為線為線為模擬模擬模擬模擬之之之之電場場型圖電場場型圖電場場型圖電場場型圖 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 0 0 -10 -10 -20 圖 圖圖
圖六六六 六 天線的天線的天線的天線的 YZYZYZ 平面YZ平面(平面平面(((XXX-X---aaxaaxxxial ial ial vial vvieviewieiewww)))幅射)幅射幅射幅射場型圖場型圖場型圖場型圖 綠 綠 綠 綠色曲色曲色曲色曲線為線為線為線為模擬模擬模擬模擬之磁之磁之磁之磁場場型圖場場型圖場場型圖場場型圖 紅色曲 紅色曲 紅色曲 紅色曲線為線為線為線為模擬模擬模擬模擬之之之之電場場型圖電場場型圖電場場型圖電場場型圖
