【毕业学位论文】陶瓷螺旋性天线之研制-电机工程

國立中山大學電機工程研究所 碩士學位論文 指導教授：林根煌 博士 題目：陶瓷螺旋性天線之研製 究生：黃大智 撰 中華民國九十年六月 y 2001 i 誌 謝 嗟爾浮生，何驕之有，一想起過去無數的日子裡所受到的幫助及栽培之巨，與得到的成果之小，實為汗顏。胡適說過：他借出去的錢從不盼望收回。因為他所借出的每一分錢，都會有利息留在人間。很高興我能借用這段話，對那些幫助我的人，大聲的說出你們對我所做的努力與犧牲並沒有白費，謝謝你們！。 蒙恩師 林根煌博士在這兩年的研究生生涯中，不斷的指正導引我，讓我再次有啟蒙的感覺。林老師對學術研究的態度 及精神也是令人敬佩和效法的。 感謝口試委員郭老師和吳老師所提供的寶貴建議，使得論文能更加的完善。 另外，還要感謝凱宣科技的員工，協助及提供我實作的技術和製程，其中洪副理在生活、工作上給與莫大幫忙和照顧，實為感謝。 最後感謝父母二十餘年的栽培和支持，讓我能在無後顧之憂的情況下，得以順利完成研究。 師恩深重，親恩浩瀚，實非一語可以概之。願以此文令來者有所取法，以收與人為善之功。 黃大智 謹識於中山大學 九十年七月 年度 ： 89 學期 ： 2 校院 ： 國立中山大學 系所 ： 電機工程學系研究所 論文名稱 (中 )： 陶瓷螺旋性天線之研製 論文名稱 (英 )： 位類別 ： 碩士 語文別 ： 學號 ： 8831695 提要開放使用 ： 是 頁數 ： 76 研究生 (中 )姓 ： 黃 研究生 (中 )名 ： 大智 研究生 (英 )姓 ： 研究生 (英 )名 ： h 指導教授 (中 )姓名 ： 林根煌 指導教授 (英 )姓名 ： 關鍵字 (中 )： 陶瓷螺旋性天線 關鍵字 (中 )： 研製 關鍵字 (英 )： 關鍵字 (英 )： 要 天線是在傳送及接收系統中被設計來輻射或接收電磁波的部份，它是電與波的轉能器 (所以將電能轉換成波輻射出去為其主要的目的。 本論文利用螺旋性天線在軸向模態形式時的高指向性、寬頻和圓形極化的特性，以廣泛應用在衛星通訊 (如：全球衛星定位系統， 由於微波介電陶瓷材料的高介電常數、高品質因子、及溫度係數穩 定的特性使其成為近年來衛星及無線行動通訊上熱門的使用材質。本論文也採其高介電常數的特性，將天線尺寸大幅縮小。 結合以上兩者的特性即為本論文所要研製、探討的陶瓷螺旋性天線。 要 (英文 ) to or in of or so as to s of of in in is in in in of of to of In we of v 目 錄 摘 要 . 要 (英文 ). 錄 . v 圖表目錄 . . .一章 緒 論 . 1 究背景 .旋性天線的簡介 .究目的 .文大綱 .二章 螺旋性天線 . 3 線結構 .向模態螺旋性天線 (.向模態螺旋性天線 (.三章 微波介電陶瓷材料 (.景 .波介電材料性質 .波介電材料種類 .四章 設計和模擬 .理及特點 .限元素法 (.五章 模擬與實驗結果 .線物理結構 .值模擬與實驗 .抗匹配 .化分析 .比 (改善 .它之應用 .六章 結論與未來研究 .錄 A.謂 統？ .錄 B.限元素法 .考文獻 .表目 錄 圖 圖 線的結構 (左旋的 ). 旋性天線單一圈的展開 . 一圈法向模態螺旋性天線 . 向模態螺旋性天線和等效圖 . 向模態螺旋性天線 . 向模態相位差示意圖 . 料之四種極化機構示意圖 . 大堆小的四面體組成的結構 . 段連續 (a)二次的 (b)連續的 函數 . 型結構 (a)以三角形或矩形表示的二維元素 (b)以四面體表示的三維元素 . 擬結構圖 . 周 K=l= 時，場型的變化 . 值模擬結果 . 際量測的結果 . 擬結果 場型圖 . 擬結果 3D 場型圖 . =N=測圖 . . 測圖 . 測圖 . . 場在陶瓷天線內外部的分佈 . 線外層加高介電陶瓷材料，電場的分佈 . 臨界角入得的平面波 . 計的結構圖 . 擬設計結構的 11S . 計結構的模擬結果 場型圖 . 表 同圈數及金屬線寬對天線 11S 的變化 . 線 測場型系統總結 . 距寬 S 在 =92l 變化時，天線極化特性 . 徑 D 在 =92l 變化時，天線極化特性 . 變圈數 N 為 ，天線極化特性 . 層加陶瓷材料 ( 10 )和空氣之比較 . 外層陶瓷材料 ( 20 )時變化 . 層加陶瓷材料 ( 92 )和空氣之比較 .1 第一章 緒 論 究背景 隨著全球電信業的急速發展，個人的行動通信也愈來愈發達和普及，至今似乎是人手一機，手機也變成個人隨身的物品，手機的所在位置也是個人的 位置，因此在個人發生緊急事故或意外時，確定手機的位置也就確定了人的位置，所以各國政府陸續規定手機要有定位的功能；目前定位的方法有很多種，但是以全球衛星定位系統 (附錄 A)是最方便、準確的。 全球衛星定位系統 (通訊設備對其天線的要求能提供右手圓形極化(其場型能均勻涵蓋整個上半球形；圓形極化操作設計是應用在衛星通訊傳播上的使用的傳播 方式，其對於電磁波在傳送以及接收的方向上，也遠比線性極化傳播較無限制，再加上電磁波在電離層會產生法拉第旋轉效應，使得圓形極化在近年來衛星通訊上極具重要性。 天線通常是使用平面天線 (1和螺旋性天線 (而螺旋性天線的指向性、頻寬 (其為寬頻天線 )和增益都比平面天線來的好，且如果加上以陶瓷材料作為介電材質時，天線的體積將大幅的縮小，更加的具有行動性，所以本論文是探討以陶瓷螺旋性天線應用在 為主題。 旋性天線的簡介 1946 年， . 是第一個發現螺旋性天線結構的人，其建立整個螺旋的理論基礎，並且也從實際的實驗中去驗証，使得日後螺旋性天線不單只應用在 ，在衛星通訊上也是不可獲缺的。 螺旋性天線在動作時可分為兩個模態： 法向模態 (當螺旋的直徑遠小於一波長時，最大的幅射場垂直於螺旋性天線時的模態；通常是應用在小型無線電對講機上。 軸向模態 (當螺旋 的直徑近似一波長，最大的幅射場沿著螺旋性天線軸向時的模態；通常是應用在超高頻 (衛星通訊上。 2 究目的 利用螺旋性天線在軸向模態形式時，圓形極化、高指向性和高增益性的性質能符合 線的要求；且陶瓷材料的高介電係數將波在天線內部的速度減緩(相對真空時速度 )，波長因而變短，進而達到整體天線的體積變小 3。 吾人將結合理論與實作，使上述之陶瓷螺旋性天線實現，應用在 。 文大綱 本論文主要是以實現 瓷螺旋性天線。在 第二章 的介紹法向模態和軸向模態的理論。 第三章 簡介陶瓷材料的性質和特性。 第四章 則以一套高頻結構模擬軟體 (行設計和模擬，將其模擬的設計和結果作為之後實驗的因循法規及趨勢的判斷。 第五章 是實驗的結果與數值模擬結果比較。 第六章 為結論與未來研究，主要探討模擬和實驗中所遇到的問題及後續值得研究的方向。 3二章 螺旋性天線 線結構 圖 線的結構 (左旋的 ) 圖 旋性天線單一圈的展開 圖 左旋的螺旋性天線結構圖， 圖 天線天線單一圈的展開，其中的結構內的各個參數如下： D ：螺旋性天線的直徑 ：螺旋性天線的圓周長 a= ：每圈的間距 a ：斜度角 22：一圈的長度 N ：圈數 4：高度（軸向高） d ：螺旋性天線導體的直徑 值得注意，當 0S = 時，螺旋性天線將會縮減為一環形天線 (且當 0D = 時，螺旋性天線將縮減 成一線性天線 ( 向模態螺旋性天線 (當天線工作在法向模態時，其輻射場最大的方向垂直螺旋性天線的軸，理論上，它可以輻射出圓形極化波 (在這個模態下，天線整個尺寸大小將遠小於一個波長，如 D l= (相對的 L l= )，所以法向模態螺旋性天線的電的性質很小，因此它的效能也是低的。 由於天線是很小的，天線上的電流振 幅大小和相位週期遠大於其物理上的大小，所以在可以視為一常數；它的圈數，對遠場場型 (無關的，所以對此模態的探討可以視為僅一圈園數；而這一圈可近似一個小環形天線(一個理想偶極天線 (如 圖 示： 圖 一圈法向模態螺旋性天線 理想偶極天線遠區 (場可表 示為 : (而小環形天線遠區電場可亦表示成 : 22(由 ( (式的場型可看出皆有 成份，且由於有 相位差 ( f )，這意味著是朝右手旋轉的。 為了得到圓形極化 (其二式的比值為 6222/21(/)E = (所以 2，我們可由 圖 的三角定理解得 : 21(/)=+ (和 21)+= (其中 指圓形極化時螺旋性天線每圈的間距和斜度角，所以我們可以由螺旋性天線一圈的長度和波長的比值求得 4。 圖 整個法向模態螺旋性天線的場型和其結構等效圖 5。 圖 向模態螺旋性天線和等效圖 向模態螺旋性天線 (螺旋性天線工作在軸向模態時，其輻射的情形如端射天線 ( (此模態亦可稱為端射模態 )，沿著螺旋性天線本身的軸輻射出去；此模態的發生都在天線的圓周長大約為一波長時。如 圖 示 5。 圖 向模態螺旋性天線 軸向模態螺旋性天線可以提供高至 15穩定增益和圓形極化，所以很普通應用在超高頻 (如廣泛地應用在衛星通訊上。 當螺旋性 天線為少圈數時，天線在 3443 的頻率範圍內表現不錯，其可以提供頻寬比率 ( (為 在較長的螺旋性天線時，上工作頻率 ( 要低於 4/3l 4。 / 4/316 ( 81C l+軸向模態螺旋性天線的周長約一波長，所以任意兩相對的端點約為二分之一波長，當一線圈的電流在螺旋性天線 (如 圖 示左端朝下 )，原來右端的電流應該是朝上，因為距離差二分之一波長，使得電流相位偏移了 右端的電流因而與左端的電流同相，一起朝下；加上任意兩對端的電流同相且大小一樣在同一圓軸上，所以產生圓形極化。 圖 向模態相位差示意圖 由以上陳述可了解，單一線圈可產生圓形極化，當天線為多圈時，每一圈電流皆為同相， 如 圖 軸射場將沿著天線的軸方向加強輻射，如同陣列天線( 陣列天線遠場全場型 ()F q )等於基數因數 (於陣列因數 (軸向模態螺旋性天線遠場全場型表示如式 (每一圈都是一個基數 (而基數因數為 所以陣列因數便為 2)2)NN 2)()2) ( (K 為正規化的常數； 逐近式相角 (相鄰兩圈的相位差。 當 2h 時 , 2p 因為是週期的關係，所以可以忽略之，得 h ，由陣列定理，此相差代表端射輻射 (而在實際上，由實驗發現 9正確的相角差為： (2/)+ (式 (足了 射條件 (由此結果，我們可以得到在導體中之傳播相速度 ，因而定義 /(21)/(2)= + (其中 p 為速度因素， 在螺旋性天線內的波數。其間的傳播速度小於光速，所以稱之慢波結構 (45。 10 第三章 微波介電陶瓷材料 (景 近年來，衛星及無線行動通訊市場快速蓬勃的發展，而通訊系統隨著無線衛星通訊科技和高度移動性通訊器材之開發與演進，使得無線通訊達到無遠弗屆的地步。此進展大部份歸因於關鍵性元件小型輕量化，而今如行動電話 ( 統小型化的程度，更到了令人瞠目咋舌之地步。 電子零組件在輕量化、微小型的 趨勢下，微波介電陶瓷材料 (尤其是高介電常數（ ），高品質因子(Q )，及溫度係數穩定 (，是近年來熱門的研究方向。 表 一些代表性微波介電陶瓷之微波特性，藉由這些材料之特性，可應用範圍大致如：微波振盪器 (微波濾波器 (雷達測速器 (蜂巢式行動電話 (全球定位系統天線(等。 11 特 性 K 材 料 K Q(測定周波數 20 1/32/33 21 20 16,000(3) 35,000(10) 0 040 494201/32/33 1/32/33 1/32/33 1/32/33 1/32/331/32/33 33 1/32/3 1/32/33 3( 38 3940 35 1 40 25 3940 30 40 38 3229 9,000(4) 9,000(4) 8,400(6) 15,000(12) 9,150(4,000(16,800(9,20015,000(12) 10,000(10) 3,500(9) 7,000(7) 3,0002,000(11) 1520 2 0 0 31 28 3 0 0 090 233232(r)23222323592 80 88 80 2,3003,790 ( 3,700(3) 5,000(1) 1 0 0 2 表 表性微波介電陶瓷之微波特性 12 波介電材料性質 自從 1939 年， 發現某些陶瓷可具有類似金屬共振腔的功能後，此類材料稱為介電共 振子 (簡稱 至 1960 年才被應用為共振元件。真正蓬勃發展則是到 1970 年第一個溫度穩定佳，低損失的 497，使得電子陶瓷開始針對各類材料做開發。 不論哪類材料，一般對於陶瓷介電材料的基本材料為 : (1)高介電常數 (2)低損失 (高品質因子 Q) (3)溫度穩定性高。介電常數的要求可使元件微小化，在此目前追求產品輕、薄、短、小的趨勢下，具高介電值 之微波介電陶瓷材料之開發實為一需要。 以下分別針對此三項因素作一說明： (1)介電常數 ( )：通常 200 , (0,/2) ; 如果 (-/2,0) 2， 變小，使得加在外層的高介電陶瓷材料臨界角變小，所以會容易發生全反射現象。 圖 臨界角入得的平面波 cq 22 1 45 它之應用 在 中有效的改善在高介電陶瓷材的軸比，所以可以確實的將天線的尺寸大幅的縮小，且應用在衛星通訊 (如 上；另外一點由 兩種改變其物理結構的方式，可以天線的特性的趨勢進而達到控制其參數變化，如 11S 、 R(化 率 )。所以吾人將其方法應用在其它頻段的天線設計上，如 的藍牙天線 (。 因為 K=92 ( 8310v = 為直空中的速度 ) ，且 ，因此K=92l =所以設計物理結構的直徑 D= K=92 /2l =間距寬S=92l ，圈數 N=2，如 圖 示的結構圖。 圖 計的結構圖 圖 吾人以上所述之結構用 值模擬軟體，所產生的結果，結果在所要求的頻帶內，且有不錯特性 (觀察 圖 視出其工作頻Z X Y 46 率點 ( 落在 其回波損耗 (11S )也達到了 圖 設計結構模擬結果的 場型圖，其有不錯的增益 (達到1.8 圖 擬設計結構的 11S 圖 計結構的模擬結果 場型圖 47 第六章 結論與未來研究 隨著無線通訊蓬勃發展，無線通訊電子產品走向迷你化是未來的趨勢，而擔任通訊電子產品輻射和接收電磁波角色的天線更是以此設計為走向的。而現今最具代表通訊電子產品為手機，它至今幾乎是人手一機了，成了個人隨身的物品，所以手機的方位性和功能強大，成為日後設計手機天線所應該考慮的。 本論文主要是以探討陶瓷螺旋性天線 (性為主，利用陶瓷高介電常數的特性，可以使得天線的物理結構整體縮小；再利用螺旋性天線在軸向模態能圓形極化和高指向性的特性，使得天線能應用在 星通訊上；因此該天線可運用衛星在定位上。 螺旋性天線在真空中達到軸向模態的條件是天線圓周長大約為一波長但是吾人由模擬結果知道當相對介電常數 ( 大於 10 以上，要達到軸向模態的周長長度約 ( /2p )周長（指該陶瓷的相對介電常數），在此附近周長的 天線結構能達到不錯阻抗匹配（達到所要的工作頻率點 回波損耗 11S ），圖 圖 在 中討論陶瓷螺旋性天線阻抗匹配，由模擬的結果得知改變金屬線寬會使工作頻率點 ( 頻率向下移動 ，而改變繞線圈數卻有使工作頻率點 ( 向上移動的趨勢。結果也顯示出其圓極極化的極化的程度不好，軸比 (模擬結果都顯示出太大了，但可由 來改進，利用在繞線金屬外緣加上相同介電陶瓷材料層，讓介質有效的波長等於實際的陶瓷材料波長。 如天線的極化已趨線性極化，可利用 分析了天線極化特性，改變螺旋性天線的直徑 D 和每圈間距寬 S 還有圈數 N，極化 率 R 會跟著改變，解得極化率 R，天線整個極化特性皆可解得如軸比 (傾斜角 (t )等。 表 表 分別探討了間距寬、天線的直徑和圈數對天線極化的影響。 其它的應用：已知的天線極化的特性和阻抗匹配性質可以設計出其它頻帶如的藍牙天線 (， 便以模擬結果說明之。 本論文主要以模擬來探討陶瓷螺旋性天線的特性，模擬結果部份由實作來印 48 証了，但是一部份有礙於實作難執行，如在天線外側加上一層的陶瓷材料，且在高介電常數 ( 92 )的陶瓷天線上，其天線物理結構參數 (間距寬、天線的直徑和圈數等 )是非常敏感的，會很容易影響天線特性 ( 11S 、 R 等 )，因此是非常的難控制，所以吾人日後將繼續著重於高介電係數的陶瓷材料螺旋性天線的金屬線圈形狀變化，如： 18。 49 附錄 A 何謂 統？ 全名為 美國國防部於 1970 年代為了軍事用途而開始發展 的，現在已慢慢跨入商業用途的範。它是利在離地面約二萬零兩百公里高的軌道上運行的人造衛星群所發射出來的訊號，以三角測量原理計算出收訊者在地球上的位置。整個 統可分為下列三部份： 人造衛星群 共使用 24 顆運作衛星，以四顆一組分別運行在六個傾斜角度為 55度的軌道面上；另外還有 3 顆備用衛星。每顆衛星每天繞行地球兩次，使得地球上任何地點在同一時間都至少有四顆衛星在空中提供定位訊號。 地面控制站 用以追縱並監控的地面控制站，在全球共有五處，分別為太平洋地區的 度洋地區的 西洋地區的 以及設於美國科羅拉多州 主要地面控制站 (另外還有四座大型衛星天線站，亦可對衛星進行監測。 收機 收機是在 統中一般使用者唯一會接觸到的設備。它會依不同的應用而以各種型式出 現，如汽車，航空器，船舶等導航設備，或是個人手持式定位系統等。主要的功能在於接收由 星所傳來的衛星所在位置，送訊時 50 間，運行速度等資料，並用以計算出接收機所在之位置。 由於美國擔心 恐怖份子所用，特地將選擇性可用度 (加入訊號，在使用時有 95%的機會產生 100 公尺甚至更高的誤差；不過美國國防部預計在公元 2005 年停止使用 干擾，屆時 準碓度將大幅提升。在此之前，民間嘗試使用不同的方法來降低這個誤差，目前最普遍的是差分 它可以將精準度提高，誤差可降低至 10 公尺以內。 統當初是美國為了軍事用途所部屬的，但為了本身的國防安全，所以僅開放部分的功能供一般民間使用，一般市面上的 收器定位的精確度，其平均值大都在半徑 30 公尺以內，不過受到大氣層和接收對衛星訊號的多寡影響，定位的精準度會降低到 30 公尺 60 公尺左右。 不過， 星是由美國國防部發展與管理，並負責 統的正常運作及精度控制，所以當初在發展 統時，就已經考慮到如果地面控制站被敵軍所控制，而直接影響到 位的能力時，所以就先把定位解算的工作交由收器所負責，但美國國防部還是擔心 準的定位被不法份子所利用，在為了美國本身的國防安全和政策考量下，由美國國家安全局要求對 星訊號加入選擇可用度 (干擾，我們一般稱這種干擾為 一種隨機性的干擾，其干擾不定時，時間長短也不一定，有 擾時將會使定位的精度降低到 100 公尺。 由於存在著 訊號干擾，所以為了要有更高的精碓度，之後又發展出差分 (般簡 稱 用 上原本的 收器相互配合，可以提高使用者的定精度；在特殊用途的測量用 差甚至只有一公尺而已。 鑑於 商業及救難任務之運用日益普及，美國總統柯林頓於 1996 年簽 51 署的一份文件中，已經表示未來會將 項干擾從 號中拿掉，拿掉 度為百分之百，並於格林威治時間 2000 年 5 月 2 日零時 (台北時間二日早上八時 )命令開始生效，美國將不再干擾民間使用者的訊號，所以目前定位訊號已不再有 擾存在了。 52 附錄 B 有限元素法 什麼是有限元素法？ 有限元素法是一種能求得許多工程問題近似解的數值分析技巧。雖然最初它是被用來研究複雜的航空結構的應力分佈，但迄今已被延伸應用於廣泛的連體力學上 (因為這個分析工具具有的多變性和靈活性，所以它受到工程學院及工業界廣泛的注意。 在今日的工程環境裡我們發現求取近似解遠比閉式解（ 得重要。例如，我們可能想求一塊具加強件和奇怪形狀孔動的平板之負荷能力，或非均勻大氣中污染物濃度，或任何形狀流道的流體流量。不須太多的困難我們即能寫下系統的支配方 程式（ 邊界條件，但我們馬上發現無法求得解析解（ 上述三個例子的困難在於問題的幾何形狀或其他特性是隨意的。這類問題的分析解很少存在；然而這些就是需要工程師和科學家去解決的問題。 分析者通常提供幾個方案克服上述的困境。一個可能的途徑為簡化假設忽略困難點而將問題簡化成可處理的形式。有時這種程序可用，但常行不通，因為解出的答案誤差太大或根本不正確。既然大型數位計算機到處皆是，比較可行的方案是保留問題的複雜性而尋求近似數值解。 此法 如何解決問題 在任何維次的連體 *問題中