臺灣博碩士論文加值系統

本論文利用二極體開關，設計兩種可變式天線。使得天線可以改變極化方向或主波束的方向，大幅提升接收與傳送訊號的效率。
第一，以貼片天線為主體，加入環形槽孔，在槽孔上以間隔30°的方式擺放二極體。藉由選擇性的導通與不導通二極體，來達到線性極化波的極化方向切換，使得單一天線具有接收不同極化方向訊號的效果。實作量測10-dB頻寬為2.26~2.4 GHz，中心頻率2.32 GHz增益值為5.36 dB。
第二，以金屬空腔環形槽孔天線為主體，經由天線中心饋入訊號，在槽孔上同樣以間隔30°的方式擺放二極體。藉由導通與不導通的二極體，在水平面上造成波束方向切換的效果。
模擬和實驗的結果顯示，第一種架構確實可行。然而，第二種因有限接地面的影響，無法使主波束落在水平面上，影響其實用性。

This thesis presents two designs of reconfigurable antennas by using diode switches such that the main beam directions or polarization directions of the antennas can be changed to achieve the best receiving or transmission effects.
The first one is a circular patch antenna with a ring slot on it. On the ring slot, diode switches are placed at 30° interval. By selectively turning on or off these diode switches, the polarization of the antenna can be changed such that it is possible to receive linear polarization waves in different directions. The measured 10-dB bandwidth is 2.26~2.4 GHz, and the measured antenna gain at the center frequency of 2.32 GHz is 5.36 dB.
The second one is a cavity-back ring slot antenna. Similar to previous one, diode switches are placed at 30° interval on the slot. By selectively turning on or off these diode switches, the main beam direction can be switched on the horizon.
Simulated and experimental results show that the first one is indeed possible to be in practical use. However, due to the effect of finite ground, the main beam of the second one is elevated above the horizon, reducing its value in practical use.

目錄
指導教授推薦書 i
口試委員會審定書 ii
國家圖書館博碩士論文電子檔案上網授權書 iii
長庚大學博碩士論文著作授權書 iv
致謝 v
中文摘要 vi
Abstract vii
目錄 viii
圖目錄 xi
表目錄 xvii
第一章 序論 - 1 -
1-1 前言 - 1 -
1-2 研究動機與背景 - 2 -
1-3 研究目的 - 6 -
1-4 內容提要 - 7 -
第二章 線性極化方向切換天線 - 9 -
2-1 概述 - 9 -
2-2 微帶天線 - 10 -
2-3 貼片天線基本理論與結構分析 - 11 -
2-4 理想開關切換天線設計 - 17 -
2-4-1 設計流程 - 19 -
2-4-2 圓形貼片天線 - 20 -
2-4-3 加入短路式環形槽孔 - 24 -
2-4-4 調整頻寬 - 27 -
2-4-5 參數探討 - 29 -
2-4-6 偏壓電路之考量 - 37 -
2-4-7 理想開關天線之實作 - 47 -
2-5 二極體開關切換天線設計 - 51 -
2-5-1 設計流程 - 51 -
2-5-2 二極體參數萃取 - 52 -
2-5-3 參數探討 - 56 -
2-5-4 偏壓電路之設計與二極體開關天線之實作 - 65 -
2-5-5二極體參數探討 - 75 -
2-6 結果與討論 - 79 -
第三章 波束切換天線 - 82 -
3-1 概述 - 82 -
3-2 理想開關切換天線設計 - 85 -
3-2-1 設計流程 - 85 -
3-2-2 金屬空腔環形槽孔天線 - 86 -
3-2-3 加入短路式環形槽孔 - 92 -
3-2-4 調整頻寬 - 97 -
3-2-5 參數探討 - 99 -
3-3 接地金屬面之影響 - 106 -
3-4 理想開關天線之實作 - 111 -
3-5二極體參數探討 - 116 -
3-6 結果與討論 - 122 -
第四章 結論 - 124 -
4.1 結論 - 124 -
4.2 未來展望 - 125 -
參考文獻 - 127 -

圖目錄
圖1. 1 切換式傳輸線移相器架構圖 - 5 -
圖1. 2 巴特勒矩陣架構圖 - 5 -
圖2. 1 常用的傳輸線結構：(a) 夾心帶線；(b) 微帶線；(c) 溝槽線；(d) 共平面波導；(e) 共平面波導側視圖。 - 10 -
圖2. 2 貼片天線立體結構圖；L為天線共振長度，W為天線匹配寬度，H為基板厚度。 - 15 -
圖2. 3 貼片天線電場分佈圖。(a) 側視圖；(b) 俯視圖。 - 16 -
圖2. 4 極化方向示意圖。(a) 在水平方向；(b) 在30°方向。 - 18 -
圖2. 5 設計流程圖 - 19 -
圖2. 6 圓形貼片天線之幾何結構。(a) 俯視圖；(b) 側視圖。 - 21 -
圖2. 7 圓形貼片天線模擬之反射損耗 - 22 -
圖2. 8 圓形貼片天線主體之電流分佈圖 - 22 -
圖2. 9 圓形貼片天線所對應之2.45 GHz場型圖。(a) XZ平面；(b) YZ平面。 - 23 -
圖2. 10 加入短路式環形槽孔之幾何結構。(a) 俯視圖；(b) 側視圖；(c) 短路式環形槽孔局部放大圖。 - 25 -
圖2. 11 加入短路式環形槽孔模擬之反射損耗 - 26 -
圖2. 12 加入短路式環形槽孔天線主體之電流分佈圖 - 26 -
圖2. 13 模擬不同高度(H)所對應之反射損耗 - 28 -
圖2. 14 模擬不同環形槽孔中心半徑(R3)所對應之反射損耗 - 30 -
圖2. 15 模擬不同環形槽孔中心半徑(R3)之史密斯圖 - 30 -
圖2. 16 模擬不同環形槽孔寬度(Sw)所對應之反射損耗 - 31 -
圖2. 17 槽孔寬度為2 mm所對應之2.45GHz場型圖。(a) XZ平面；(b) YZ平面。 - 32 -
圖2. 18 模擬不同天線半徑(R2)所對應之反射損耗 - 34 -
圖2. 19 模擬不同天線半徑(R2)之史密斯圖 - 34 -
圖2. 20 加入二極體接點之幾何結構。 - 36 -
圖2. 21 模擬加入二極體接點所對應之反射損耗 - 36 -
圖2. 22 植入間隙與圓環金屬之幾何結構。(a) 俯視圖；(b) 側視圖；(c) 天線下半面加入絕緣圓環金屬。 - 39 -
圖2. 23 單純植入間隙電流分佈圖 - 40 -
圖2. 24 模擬植入間隙與圓環金屬所對應之反射損耗 - 40 -
圖2. 25 植入間隙與圓環金屬電流分佈圖。(a) 天線主體；(b) 絕緣圓環金屬。 - 41 -
圖2. 26 模擬加入電感與金屬柱之幾何結構。(a) 俯視圖；(b) 側視圖。 - 43 -
圖2. 27 模擬加入電感與金屬柱所對應之反射損耗 - 44 -
圖2. 28 模擬加入電感與金屬柱對應之2.45 GHz場型圖。(a) XZ平面；(b) YZ平面。 - 45 -
圖2. 29 理想開關天線實作之幾何結構。(a) 俯視圖；(b) 側視圖。 - 48 -
圖2. 30 理想開關天線所對應之反射損耗 - 49 -
圖2. 31 理想開關天線所對應之場型圖。(a) XZ平面；(b) YZ平面。 - 50 -
圖2. 32 設計流程圖 - 52 -
圖2. 33 二極體等效電路。(a) 不導通二極體；(b) 導通二極體。 - 54 -
圖2. 34 等效π模型網路 - 54 -
圖2. 35 量測與模擬實虛部曲線。(a) 不導通二極體；(b) 導通二極體。 - 55 -
圖2. 36 二極體開關之反射損耗 - 56 -
圖2. 37 模擬二極體導通數目所對應之反射損耗 - 58 -
圖2. 38 模擬二極體導通數目之史密斯圖 - 59 -
圖2. 39 模擬不同天線高度(H)所對應之反射損耗 - 60 -
圖2. 40 模擬不同天線高度(H)之史密斯圖 - 61 -
圖2. 41 模擬不同環形槽孔半徑(R3)所對應之反射損耗 - 62 -
圖2. 42 模擬不同環形槽孔半徑(R3)之史密斯圖 - 62 -
圖2. 43 模擬不同天線半徑(R2)所對應之反射損耗 - 64 -
圖2. 44 模擬不同天線半徑(R2)之史密斯圖 - 64 -
圖2. 45 電流分佈圖 - 65 -
圖2. 46 模擬理想開關與二極體開關天線所對應之反射損耗 - 66 -
圖2. 47 模擬理想開關與二極體開關所對應之2.45 GHz場型圖。(a) XZ平面；(b) YZ平面。 - 67 -
圖2. 48二極體開關天線之幾何結構。 (a) 俯視圖；(b) 側視圖；(c) 立體結構圖。 - 70 -
圖2. 49 二極體開關天線之偏壓電路圖 - 71 -
圖2. 50 二極體開關天線實際之幾何結構。(a) 俯視圖；(b) 側視圖；(c) 偏壓電路圖。 - 72 -
圖2. 51 二極體導通數目為3個所對應之反射損耗 - 73 -
圖2. 52 二極體開關天線所對應之反射損耗 - 73 -
圖2. 53 二極體開關天線所對應之場型圖。(a) XZ平面；(b) YZ平面。 - 74 -
圖2. 54 探討電阻值對天線影響所對應之反射損耗 - 77 -
圖2. 55 探討電容值對天線影響所對應之反射損耗 - 79 -
圖3. 1 輻射示意圖。(a) 在水平方向；(b) 在30°方向。 - 84 -
圖3. 2 設計流程圖 - 86 -
圖3. 3 金屬空腔環形槽孔天線之幾何結構。(a) 俯視圖；(b) 側視圖。 - 88 -
圖3. 4 金屬空腔環形槽孔天線模擬之反射損耗 - 89 -
圖3. 5 金屬空腔環形槽孔天線所對應之2.45GHz場型圖。(a) XY平面；(b) XZ平面；(c) YZ平面。 - 90 -
圖3. 6 金屬空腔環形槽孔天線3D場型圖 - 91 -
圖3. 7 金屬空腔環形槽孔天線槽孔之電場分佈圖 - 91 -
圖3. 8 加入短路式環形槽孔之幾何結構。(a) 俯視圖；(b) 短路式環形槽孔局部放大圖。 - 93 -
圖3. 9 模擬不同短路數目環形槽孔天線所對應之反射損耗 - 94 -
圖3. 10 短路數目為8個之環形槽孔天線所對應之2.45 GHz場型圖。(a) XY平面；(b) XZ平面；(c) YZ平面。 - 95 -
圖3. 11 模擬短路數目為8個之環形槽孔天線3D場型圖 - 96 -
圖3. 12 模擬短路數目為8個之環形槽孔天線電場分佈圖 - 96 -
圖3. 13 模擬不同槽孔寬度(Sw)所對應之反射損耗 - 98 -
圖3. 14 模擬不同金屬空腔半徑(R2)所對應之反射損耗 - 100 -
圖3. 15 金屬空腔半徑為47 mm所對應之2.45 GHz場型圖。(a) XY平面；(b) XZ平面；(c) YZ平面。 - 101 -
圖3. 16 金屬空腔半徑為47 mm所對應之3D場型圖 - 102 -
圖3. 17 模擬不同金屬空腔高度(H)所對應之反射損耗 - 103 -
圖3. 18 模擬不同金屬空腔高度(H)之史密斯圖 - 104 -
圖3. 19 模擬不同環形槽孔半徑(R1)所對應之反射損耗 - 105 -
圖3. 20 模擬不同環形槽孔半徑(R1)之史密斯圖 - 106 -
圖3. 21 模擬不同接地金屬面半徑(R)所對應之反射損耗 - 108 -
圖3. 22 模擬無窮大接地金屬面所對應之2.45 GHz場型圖。(a) XY平面；(b) XZ平面；(c) YZ平面。 - 109 -
圖3. 23 模擬無窮大接地金屬面所對應之3D場型圖 - 110 -
圖3. 24 不同接地金屬面半徑所對應之YZ平面2.45 GHz場型圖 - 110 -
圖3. 25 理想開關天線實作之幾何結構。(a) 俯視圖；(b) 側視圖。 - 113 -
圖3. 26 理想開關天線所對應之反射損耗 - 114 -
圖3. 27 理想開關天線所對應之場型圖。(a) XY平面；(b) XZ平面；(c) YZ平面。 - 115 -
圖3. 28 理想開關天線所對應之3D場型圖 - 116 -
圖3. 29 探討電阻值對天線影響所對應之反射損耗 - 119 -
圖3. 30 探討電容值對天線影響所對應之反射損耗 - 122 -

表目錄
表2. 1 圓形貼片天線相關參數，單位為公厘 - 20 -
表2. 2 加入短路式環形槽孔相關參數，單位為公厘 - 24 -
表2. 3 不同高度所對應之頻寬 - 28 -
表2. 4 不同環形槽孔寬度(Sw)所對應之增益值 - 33 -
表2. 5 模擬加入二極體接點所對應之頻寬與增益值 - 37 -
表2. 6 模擬加入電感與金屬柱所對應之頻寬與增益值 - 46 -
表2. 7 理想開關天線相關參數，單位為公厘 - 47 -
表2. 8 理想開關天線模擬與量測結果 - 51 -
表2. 9 不同二極體導通數目所對應之頻寬 - 58 -
表2. 10 模擬加入電感與金屬柱天線相關參數，單位為公厘 - 66 -
表2. 11 模擬理想開關與二極體開關天線之頻寬與增益值 - 68 -
表2. 12 二極體開關天線相關參數，單位為公厘 - 69 -
表2. 13 二極體開關天線所對應之頻寬與增益值 - 75 -
表2. 14 不同電阻值所對應之頻寬與增益值 - 76 -
表2. 15 不同電容值所對應之頻寬 - 78 -
表3. 1 金屬空腔環形槽孔天線相關參數，單位為公厘 - 87 -
表3. 2 加入短路式環形槽孔相關參數，單位為公厘 - 93 -
表3. 3 模擬不同短路數目環形槽孔天線之增益值 - 97 -
表3. 4 不同槽孔寬度所對應之頻寬 - 98 -
表3. 5 不同金屬空腔半徑(R2)所對應之增益值 - 102 -
表3. 6 理想開關天線相關參數，單位為公厘 - 107 -
表3. 7 不同接地金屬面所對應之頻寬與增益值 - 111 -
表3. 8 理想開關天線模擬與量測結果 - 116 -
表3. 9 理想開關天線相關參數，單位為公厘 - 117 -
表3. 10 不同電阻值所對應之頻寬與增益值 - 118 -
表3. 11 理想開關天線相關參數，單位為公厘 - 120 -
表3. 12 不同電容值所對應之頻寬 - 121 -

參考文獻
1. S. D. Padhi, N. C. Kamakar Sr., C. L. Law, and S. Aditya Sr., "A dual polarized aperture coupled circular patch antenna using a C-shaped coupling slot," IEEE Transactions Antennas and Propagation, Vol. 51, No. 12, December 2003.
2. S. C. Gao, L. W. Li, M. S. Leong, and T. S. Yeo, "Dual-polarized slot-coupled planar antenna with wide bandwidth," IEEE Transactions Antennas and Propagation, Vol. 51, No. 3, March 2003.
3. L. Habib, G. Kossiavas, and A. Papiernik, “Cross-shaped patch with etched bars for dual polarization,” Electronic Letters, Vol. 29, No. 10, May 1993.
4. M. Yamazaki, E. T. Rahardjo, and M. Haneishi, “Construction of a slot-coupled planar antenna for dual polarization,” Electronic Letters, vol. 30, No. 22, October 1994.
5. C. Y. Huang, K. L. Wong, “Stripline-fed printed square spiral slot antenna for circular polarization,” Electronic Letters, Vol. 34, No. 24, November 1998.
6. K. L. Wong, C. C. Huang, and W. S. Chen, “Printed ring slot antenna for circular polarization,” IEEE Transactions On Antennas And Propagation, Vol. 50, No. 1, January 2002.
7. L. P. Chi, S. S. Bor, S. M. Deng, C. L. Tsai, P. H. Juan, and K.W. Liu, “A wideband wide-strip dipole antenna for circularly polarized wave operations,” Progress In Electromagnetics Research, PIER 100, 2010.
8. S. M. Deng, C. L. Tsai, M. F. Chang, S. S. Bor, “A study on the non-uniform rectangular-ring slot antenna for broadband circular polarization operations,” Journal of Electromagnetic Waves and Applications, Vol. 24, No. 4, Number 2010.
9. C. L. Tsai, S. M. Deng, C. H. Tseng, and S. S. Bor, “Antennas with two shorted rectangular ring slots coupled by microstrip line for the opposite sense CP in the wide-band operations,” Journal of Electromagnetic Waves and Applications, vol. 23, No. 10, Number 2009.
10. C. L. Tsai, S. M. Deng, C. H. Tseng, and S. S. Bor, “A shorted square-ring slot antenna with a branched slot for the 1575 MHz and 2.4 GHz dual-band operations,” Microwave Optical Technology Letters, Vol. 51, No. 2, February 2009.
11. Y. Sim, J. Kim, J. Woo, “Dual-feed Circular Polarization Folded Microstrip Antenna,” Antennas, Propagation and EM Theory, Number 2008
12. C. L. Tsai, S. M. Deng, T. W. Chen, and L. W. Liu, “Circularly polarized dielectric resonator-loaded circular microstrip patch antennas for WLAN 2.4 GHz applications,” Microwave And Optical Technology Letters, Vol. 51, No. 6, June 2009.
13. X. M. Qing, and Y. W. M. Chia, “Circularly polarized circular ring slot antenna fed by stripline hybrid coupler,” Electronic Letters, vol. 35, No. 25, December 1999.
14. M. Singh, A. Basu, and S. K. Koul, “Switchable frequency bands microstrip antennas,” Antenna Technology, 2009.
15. J. S. Row, and T. Y. Lin, “Frequency-reconfigurable coplanar patch antenna with conical radiation,” IEEE Antennas And Wireless Propagation Letters, Vol. 9, 2010.
16. Y. J. Sung, “Reconfigurable patch antenna for polarization diversity,” IEEE Transactions On Antennas And Propagation, Vol. 56, No. 9, September 2008.
17. W. S. Yoon, J. W. Baik, H. S. Lee, S. Pyo, S. M. Han, and Y. S. Kim, “A reconfigurable circularly polarized microstrip antenna with a slotted ground plane,” IEEE Antennas And Wireless Propagation Letters, Vol. 9, 2010.
18. W. Xijin, Z. Hongmei, N. Yanjuan, and Z. Yong, “MEMS dual-band frequency and polarization reconfigurable microstrip antenna,” Second IITA International Conference on Geoscience and Remote Sensing, 2010.
19. N. GÖkalp, and O. A. Civi, “Beam-steerable meanderline antenna using varactor diodes,” Microwave And Optical Technology Letters, Vol. 53, No. 1, January 2011.
20. S. Cheng, E. Öjefors, P. Hallbjörner, and A. Rydberg, “Compact reflective microstrip phase shifter for traveling wave antenna applications,” IEEE Microwave And Wireless Components Letters, Vol. 16, No. 7, July 2006.
21. J. H. Kim, and W. S. Park, “A Simple Switched Beamforming Network For Four-Beam Butler Matrix,” Microwave And Optical Technology Letters, Vol. 51, No. 6, June 2009.
22. C. Dall’Omo, T. Monediere, B. Jecko, F. Lamour, I. Wolk, and M. Elkael, “Design and realization of a 4╳4 microstrip butler matrix without any crossing in millimeter waves,” Microwave And Optical Technology Letters, Vol. 38, No. 6, September 2003.
23. M.-I. Lai, T.-Y. Wu, J.-C. Hsieh, C.-H. Wang, and S.-K. Jeng, "Compact switched-beam antenna employing a four-element slot antenna array for digital home applications," IEEE Transactions On Antennas And Propagation, vol. 56, No. 9, September 2008.
24. C. A. Balanis, Antenna Theory Analysis and Design, 2nd ed., United States of America, John Wiley & Sons, 1997.
25. Ｗ. L. Stutzman and G. A. Thiele, Antenna Theory and Design, 2nd ed., John Wiley and Sons, 1998.
26. D. K. Cheng, Filed and Wave Electromagnetics, 2nd ed., Addison Wesley, 1989.
27. “HFSS”, Ansoft, Inc.
28. D. M. Pozar, Microwave Engineering, 3rd ed., John Wiley and Sons, 2005.