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研究生： 王思翰
Shih-Han Wang
論文名稱： 寬頻微小化共面波導至矩形波導轉接
Compact and Broadband CPW-to-Waveguide Transition
指導教授： 王蒼容
Chun-Long Wang
口試委員: 吳瑞北
Ruey-Beei Wu
曾昭雄
Chao-hsiung Tseng　
楊成發
Chang-Fa Yang
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 電資學院 - 電子工程系
Department of Electronic and Computer Engineering
論文出版年： 2013
畢業學年度： 101
語文別： 中文
論文頁數： 102
中文關鍵詞： 寬頻 、微小化 、共面波導 、矩形波導 、轉接
外文關鍵詞： Compact, CPW-to-Waveguide
相關次數： 點閱：206  下載：6 
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    • 本論文使用兩個四分之一波長的共振器，實現寬頻的共面波導至矩形波導轉接。這個轉接不需要額外的中繼轉接，因此電路面積比較小，並且共面波導放在金屬封裝的中央，可以避免金屬封裝的干擾。我們分別使用107Ω、75 Ω 及50 Ω 三種共面波導餽入阻抗，來設計寬頻的共面波導至矩形波導轉接。藉由適當地調整兩個四分之一波長的共振頻率，這些轉接的穿透與反射係數頻寬可以涵蓋整個X-band (8.2 GHz~12.4 GHz)。
    為了驗證模擬結果的正確性，我們實際製作並量測三個背對背結構，量測結果和模擬結果相當吻合，驗證了模擬結果的正確性。
    為了設計更小型且寬頻的共面波導至矩形波導轉接，我們使用兩個小型化的四分之一波長共振器，來設計寬頻的共面波導至矩形波導轉接。相同地，我們分別設計完成107 Ω、75 Ω 及50 Ω 三組不同共面波導饋入的轉接，這些轉接的反射與穿透係數頻寬仍涵蓋整個X-band (8.2 GHz~12.4 GHz)，並且，與使用兩個四分之一波長共振器的轉接比較，使用107 Ω、75 Ω 及50 Ω共面波導饋入的轉接分別節省了21 %、21 %、18 %的轉接面積。為了驗證模擬結果的正確性，我們也實際製作並量測三個背對背結構，量測結果和模擬結果相當吻合，驗證了模擬結果的正確性。

    In this thesis, a broadband CPW-to-rectangular waveguide transition using two
    quarter-wavelength resonators is proposed. The transition size can be saved since this transition does not need an additional intermediate transition. Besides, the housing interference on the CPW can be alleviated since the CPW is placed at the center of the housing. Three CPW-to-rectangular waveguide transitions using 107 Ω, 75 Ω, and 50 Ω CPW feeding have been implemented to demonstrate the broadband performance of the transitions. By adequately choosing the resonant frequencies of the two quarter-wavelength resonators, these transitions can exhibit good insertion and return losses over the whole X-band (8.2 GHz~12.4 GHz). In order to verify the simulation results, three back-to-back transitions are fabricated and measured where the measurement results are in good agreement with the simulation results.

    In order to achieve a compact and broadband CPW-to-rectangular waveguide
    transition, two compact quarter-wavelength resonators are used. Similarly, three
    CPW-to-rectangular waveguide transitions using 107 Ω, 75 Ω, and 50 Ω CPW feeding
    have been implemented to demonstrate the broadband performance of the transitions. The three transitions using 107 Ω , 75 Ω, and 50 Ω CPW feeding not only have broadband performance over the whole X-band (8.2 GHz~12.4 GHz) , but also can save 21 %, 21 %, and 18 % transition sizes as compared with the previous designs. In order to verify the simulation results, three back-to-back transitions are fabricated and measured where the measurement results are in good agreement with the simulation results.

    目錄 中文摘要------------------------------------------------------------------------------- I 英文摘要------------------------------------------------------------------------------- II 目錄------------------------------------------------------------------------------------- III 表目錄---------------------------------------------------------------------------------- VI 圖目錄---------------------------------------------------------------------------------- VII 第一章 序論-------------------------------------------------------------------------- 1 1.1. 研究動機-------------------------------------------------------------------- 1 1.2. 文獻探討-------------------------------------------------------------------- 2 1.2.1 透過改變矩形波導形狀的轉接------------------------------ 2 1.2.2 不需要額外轉接空間的架構---------------------------------7 1.2.3 需要額外轉接空間的架構-----------------------------------10 1.3. 貢獻--------------------------------------------------13 1.4. 論文架構---------------------------------------------- 15 第二章 使用兩個四分之一波長共振器的共面波導至矩形波導轉接----------- 16 2.1. 使用 107-Ω 共面波導饋入的轉接------------------------------------ 16 2.1.1. 單一轉接的設計-------------------------------------------------- 16 2.1.2. 背對背結構的驗證---------------------------------------------- 32 2.2. 使用 75-Ω 共面波導饋入的轉接------------------------------------- 34 2.2.1 單一轉接的設計-------------------------------------------------- 34 2.2.2 背對背結構的驗證---------------------------------------------- 37 2.3. 使用 50-Ω 共面波導饋入的轉接------------------------------------- 39 2.3.1 單一轉接的設計------------------------------------------------- 39 2.3.2 背對背結構的驗證----------------------------------------------42 2.4. 結論---------------------------------------------------44 第三章 使用小型化的兩個四分之一波長共振器的共面波導至矩形波導轉接----------------- 45 3.1. 使用 107-Ω 共面波導饋入的轉接------------------------------------ 45 3.1.1 單一轉接的設計-------------------------------------------------- 45 3.1.2 背對背結構的驗證---------------------------------------------- 63 3.2. 使用 75-Ω 共面波導饋入的轉接------------------------------------- 65 3.2.1 單一轉接的設計-------------------------------------------------- 65 3.2.2 背對背結構的驗證---------------------------------------------- 68 3.3. 使用 50-Ω 共面波導饋入的轉接------------------------------------- 70 3.3.1 單一轉接的設計-------------------------------------------------- 70 3.3.2 背對背結構的驗證----------------------------------------------73 3.4. 結論--------------------------------------------------------------75 第四章 結論-------------------------------------------------------------76 4.1. 結論---------------------------------------------------------------76 Reference-------------------------------------------------------------79 附錄----------------------------------------------------------------82 I.I 使用金屬短橋與不使用金屬短橋的比較圖----------------------------82 I.II 使用FR4 基板的平面電路---------------------------------------------83 表目錄 表2.1 使用107-Ω 共面波導之平面電路初步尺寸。---------------------20 表2.2 使用107-Ω 共面波導之平面電路最佳化尺寸。------------------31 表2.3 使用75-Ω 共面波導之平面電路最佳化尺寸。-------------------35 表2.4 使用50-Ω 共面波導之平面電路最佳化尺寸。-------------------40 表3.1 使用107-Ω 共面波導之平面電路初步尺寸。---------------------50 表3.2 使用107-Ω 共面波導之平面電路最佳化尺寸。------------------62 表3.3 使用75-Ω 共面波導之平面電路最佳化尺寸。-------------------66 表3.4 使用50-Ω 共面波導之平面電路最佳化尺寸。-------------------71 表4.1 本篇論文的六個電路與文獻[22]中的電路之最佳化模擬結果比較圖。------78 圖目錄 圖1.1 共面波導至脊型波導的轉接。-----------------------------------3 圖1.2 共面波導至菱形中空波導的轉接。-------------------------------4 圖1.3 共面波導至使用矩形柱體的矩型波導轉接。-------------------4 圖1.4 使用三階柴比雪夫轉換器的共面波導至矩形波導轉接。---4 圖1.5 整合共面波導至矩形波導的轉接。-------------------------------5 圖1.6 使用電流探頭整合共面波導至矩形波導的轉接。-------------5 圖1.7 不使用基板的共面波導至矩型波導的轉接。-------------------5 圖1.8 製作在石英基板上並且加入矩形柱體的轉接。----------------6 圖1.9 製作在石英基板上使用四塊矽層的的轉接。-------------------6 圖1.10 製作在石英基板上使用歨接濾波器的轉接。(a)立體圖形(b)基板的側視圖(c)歨接濾波器的側視圖。------------------------------6 圖1.11 使用開放式平面探頭的非對稱共面波導至矩形波導的轉接。(a)立體圖形(b)電路的俯視圖。-----------------------------------8 圖1.12 使用一對端射天線的共面波導至矩形波導轉接。(a)立體圖形(b)電路的俯視圖。-----------------------------------------------------8 圖1.13 使用槽孔天線的共面波導至矩形波導轉接。(a)立體圖形(b)電路的俯視圖。------------------------------------------------------------8 圖1.14 使用光電二極體(PD)饋入到共面波導至矩形波導的轉接。(a)立體圖形(b)電路的上視圖(c)電路的下視圖。---------------9 圖1.15 貼片天線至矩形波導的轉接。-------------------------------------9 圖1.16 導體支撐的共面波導饋入貼片天線的轉接。-------------------9 圖1.17 使用錐形鰭線的共面波導至矩形波導的轉接。(a)立體圖形(b)電路的俯視圖。--------------------------------------------------------10 圖1.18 使用錐形鰭線的50 Ω 共面波導至矩形波導的轉接。---------11 圖1.19 使用開放式的錐形共面帶線的共面波導至矩形波導轉接。(a)立體圖形(b)電路的俯視圖。-------------------------------------11 圖1.20 使用開放式的錐形共面帶線，實現導體支撐的共面波導至矩形波導轉接。(a)立體圖形(b)電路的俯視圖。----------------------11 圖1.21 使用端射天線的共面波導至矩形波導的轉接。(a)立體圖形(b)電路的俯視圖。--------------------------------------------------------12 圖1.22 使用電感補償槽線的共面波導至矩型波導轉接。-------------12 圖1.23 使用蜿蜒槽線的共面波導至矩型波導的轉接。(a)立體圖形(b)電路的俯視圖。--------------------------------------------------------12 圖2.1 使用兩個共振器的107-Ω 共面波導至矩形波導轉接的立體圖形。------------------------------------------------------------------------17 圖2.2 使用兩個共振器的107-Ω 共面波導至矩形波導轉接的平面電路圖。---------------------------------------------------------------------18 圖2.3 使用107-Ω 共面波導之反射與穿透的初步模擬結果。-------20 圖2.4 fl=8.6 GHz 的電流隨時間變化圖形。-----------------------------22 圖2.5 低頻共振器的長度Ll 對反射係數的影響。----------------------23 圖2.6 低頻共振器的長度(Ll+Ls1)和低頻共振頻率所對應的四分之一波長(0/4)之關係。--------------------------------------------------23 圖2.7 fh=12.2 GHz 的電流隨時間變化圖形。---------------------------25 圖2.8 高頻共振器的長度Lh 對反射係數的影響。---------------------26 圖2.9 高頻共振器的長度(Lh+ Ls2+ Lq)和高頻共振頻率所對應的二分之一波長(0/2)之關係。--------------------------------------------26 圖2.10 低頻共振器寬度Wl 對反射係數的影響。------------------------27 圖2.11 高頻共振器寬度Wh對反射係數的影響。------------------------28 圖2.12 低頻共振器到金屬壁的距離Dl 對反射係數的影響。---------29 圖2.13 高頻共振器到金屬壁的距離Dh 對反射係數的影響。--------30 圖2.14 使用107-Ω 共面波導之穿透與反射係數的最佳化模擬結果。---------------------------------------------------------------------------31 圖2.15 使用107-Ω 共面波導至矩形波導轉接的背對背電路。-------32 圖2.16 背對背結構的模擬與量測結果比較圖。-------------------------33 圖2.17 使用兩個共振器的75-Ω 共面波導至矩形波導轉接的平面電路圖。---------------------------------------------------------------------34 圖2.18 使用75-Ω 共面波導之穿透與反射係數的最佳化模擬結果。---------------------------------------------------------------------------36 圖2.19 使用75-Ω 共面波導至矩形波導轉接的背對背電路。---------37 圖2.20 背對背結構的模擬與量測結果比較圖。-------------------------38 圖2.21 使用兩個共振器的50-Ω 共面波導至矩形波導轉接之平面電路圖。---------------------------------------------------------------------39 圖2.22 使用50-Ω 共面波導之穿透與反射係數的最佳化模擬結果。---------------------------------------------------------------------------41 圖2.23 使用50-Ω 共面波導至矩形波導轉接的背對背電路。---------42 圖2.24 背對背結構的模擬與量測結果比較圖。-------------------------43 圖3.1 使用兩個小型化共振器的107-Ω 共面波導至矩形波導轉接的立體圖形。---------------------------------------------------------------46 圖3.2 使用兩個小型化共振器的107-Ω 共面波導至矩形波導轉接的平面電路圖。------------------------------------------------------------47 圖3.3 使用107-Ω 共面波導之反射與穿透係數的初步模擬結果。-------------------------------------------------------------------------------50 圖3.4 fl=8.9 GHz 的電流隨時間變化圖形。-----------------------------52 圖3.5 低頻共振器的長度Ll 對反射係數的影響。----------------------53 圖3.6 低頻共振器的長度(Ll+Ls1)和低頻共振頻率所對應的四分之一波長(0/4)之關係。--------------------------------------------------53 圖3.7 fh=12.2 GHz 的電流隨時間變化圖形。---------------------------55 圖3.8 高頻共振器的長度Lh 對反射係數的影響。---------------------56 圖3.9 高頻共振器的長度(Lh+Ls2+Lq)和高頻共振頻率所對應的二分之一波長(0/2)之關係。-----------------------------------------------56 圖3.10 低頻共振器寬度Wl 對反射係數的影響。------------------------57 圖3.11 高頻共振器寬度Wh對反射係數的影響。------------------------58 圖3.12 低頻共振器到金屬壁的距離Dl 對反射係數的影響。---------59 圖3.13 高頻共振器到金屬壁的距離Dh 對反射係數的影響。--------60 圖3.14 使用107-Ω 共面波導之穿透與反射係數的最佳化模擬結果。---------------------------------------------------------------------------62 圖3.15 使用107-Ω 共面波導至矩形波導轉接的背對背電路。------63 圖3.16 背對背結構的模擬與量測結果比較圖。-------------------------65 圖3.17 使用兩個小型化共振器的共振器的75-Ω 共面波導至矩形波導轉接的平面電路圖。------------------------------------------------65 圖3.18 使用75-Ω 共面波導之反射與穿透係數的最佳化模擬結果。---------------------------------------------------------------------------67 圖3.19 使用75-Ω 共面波導至矩形波導轉接的背對背電路。---------68 圖3.20 背對背結構的模擬與量測結果比較圖。-------------------------69 圖3.21 使用兩個共振器的50-Ω 共面波導至矩形波導轉接的平面電路圖。---------------------------------------------------------------------70 圖3.22 使用50-Ω 共面波導之穿透與反射係數的最佳化模擬結果。---------------------------------------------------------------------------72 圖3.23 使用50-Ω 共面波導至矩形波導轉接的背對背電路。--------73 圖3.24 背對背結構的模擬與量測結果比較圖。------------------------74 圖I. I 使用金屬短橋與未使用金屬短橋的反射係數比較圖。--------82 圖I. II 使用FR4 的共面波導至矩形波導轉接的平面電路圖。-------83 圖I. III 使用FR4 與Roger 5880 基板的反射與穿透係數模擬比較 圖。--------------------------------------------------------------------------------84

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