南台科技大学九十七学年度毕业专题成果报告专题名称环形介质.doc

南台科技大學 九十七學年度畢業專題成果報告 專題名稱: 環形介質共振器 系 所：電機工程系 指導老師： 簡聰富 教授 專題學生：唐益 林軒 葉淳 中 華 民 國 九 十 八 年 六 月 環形介質共振器 專題學生：唐益信、林軒丞、葉淳軒 指導老師：簡聰富教授 南台科技大學 電機工程系 摘要 材料與電磁波的作用，以功率來分可以大約分成兩類，第一類是小功率，也就是材料特性隨頻率改變的現象；另一類是大功率，也就是電磁波功率足以改變材料結構與性質。對於材料特性 的頻率響應，是材料研究很重要的一環，這些特性可以告訴我們最好的微波吸收窗口，更近一 步進行材料/微波處理。然而，由於電磁波源在數十GHz至數個THz的不足，連帶造成此一頻 帶知識不足。深入了解材料特性在微 / 毫米波之頻 率響應關係，有助於我們了解材料的基本 性質，更重要的是，它有助於我們設計材料與微波的製程，進而改進材料特性。我們藉由對材料頻率響應特性的掌握，得以 設計出更好的反應腔，提高反應效率，達 成以表面修飾、改質與緻密等功能。 1. 前言 1.1創作背景及構思 近年來，衛星及無線通訊快速地蓬勃發展，而通訊系統隨著無線衛星通訊技術和高度移動性通訊器材之開發演進，使得無線通訊達到無遠弗屆的地步，個人通訊系統在現今社會中更是不可或缺極重要的工具。微波通訊用介電材料常作為通訊系統中的介電共振器，其主要需求在於高介電常數以及低正切損失（Tangent Loss）。介電常數的提高可使介電共振器尺寸縮減，達元件小型化的要求，而低損失則可使元件有高品質因子Q值。然而，由於實驗上很難量測到本質的微波介電特性，所以難以建立介電機制的物理理論基礎，也使得難以有系統地改良現有材料或合成更佳的微波介電材料。談到材料，我們最關心幾個基本特 性：如折射係數、介電、吸收係數及導電係數。對先進陶瓷材料來 說，導電係數通常很低，並不太重要；而 折射係數與吸收係數都可以由介電係數與 導磁係數計算獲得。因此我們真正最關心 的是介電係數與導磁係數。這兩個特性會 隨頻率而改變。基本上，低頻的特性比較 容易掌握，有較多的方法可以量測並交互 驗證。然而，隨著頻率增高，難度也越來 越高，一般的材料在頻率超過幾十 GHz 後 就不太容易找到資料，因此我們若能掌握量測能力，對材料研究將有極大助益。制系統的電風扇具備觸控與遙控之功能，最重要的是利用紅外線人體感測器，自動偵測使用者是否使用，若沒有使用則自動關閉電源達 到「節能減碳」的效果。 1.2作品功能及創新 常用的介電值量測方法，低頻最常見的量測方法，是介電物質置於平行板導體內，藉此改變電容質、共振頻率與品質參數。最後再由這些數據求 得介電值的實數部分與虛數部分。但是這 個方法有其缺陷－越高頻誤差越大。有鑑於此，在高頻介電特性的量測上出現了各式各樣的變形，這些方法基本概念與很接近，但是共振系統係採用同軸線或波導管形式，然而隨著頻率升高，共振腔變得很小，加工尺寸誤差會增加量測不準確。設備由兩平行板及待測物質，其材質放至於兩非導電平行板之間 ，而被測材料被設定在二平行板下面那一層的材質上有一環狀物包住待測物，而上方平形板有一環型供給電路環，而下面板子底部再舖一層金屬層接地，上面那層固定在一板上，下面那一層則放置於一個可上下移動的裝置上，以方便調整間距。本研究中將以數值模擬的方法來計算量測時的電磁場分布，建立介電常數量測與損失量測的模型，以得定量近解析解。希望利用此設備測量材質以收集數據波型，加以彙整，找出一共通點，以此使用波型逆推材質介電常數，如此可使在實驗時或者是在控制材質監控方面有很大的幫助。 2.工作原理 本專題中將採用的軟體有兩套，各為HFSS(High Frequency Structure Simulator) 和Serenade8.7皆是Ansoft公司所開發的高頻架構類比軟體，由國家高速網路與計網中心(NCHC)所提供，可利用微帶線來設計通訊元件。而SMA接頭是採用BO-JIANG公司所生產的型號BJ-7845。本專題所製作的環形介質振蕩器完整架構，如圖1-1所示：A部份為微帶線架構、B部份為接地結構、C部份為SAM接頭、D部份為基板。當設計完成一個階段，就將實際尺寸以Protel軟體繪出，再以雕刻機製成，並焊上SMA接頭，經由網路分析儀求得反射量(S11)、穿透量(S21)，再以量測所得結果作驗證及與模擬間之相互作調整，具有這些理論、模擬及實際驗證之使用基礎後，開始進行此次研究。 圖1-1、環形介質共振電路完整架構示意圖。 3