臺灣博碩士論文加值系統

多波束反射面天線是由多個饋入陣列所組成。在增加通訊容量方面提供了一種極佳的解決方案，特別是在衛星通訊系統上的應用。本文研發應用於同步衛星直播系統的高效率及多波束天線，並利用Fortran高階語言程式設計其模擬軟體，以符合在市場上的需求。同時，利用波紋喇叭天線當其饋入源，並在極性方面加入圓極化器使其能接收圓極化訊號，所設計的圓極化波紋喇叭天線具有良好的軸比頻寬及對稱的輻射場型。
天線量測系統可分為縮距反射面天線量測系統、室內近場與遠場量測系統、以及室外遠場天線量測系統。一般在天線量測系統中的發射天線皆由許多窄頻之天線所組成，如需量測寬頻天線時，便要使用到許多不同頻段之天線，對此有許多不確定因素。本論文中設計兩種具有低指向性UWB梳型槽孔天線，並應用於各類型的天線量測場，此天線之工作頻寬分別為3GHz~20GHz和20GHz~40GHz。主要應用在各量測系統之發射端。除了具有超寬頻之特性外，亦具有對稱之天線場型、低指向性等優異特性，及相位中心對頻率而言變動甚小。綜之，本文利用工業用180公分的衛星直播天線，加諸所設計的梳型槽孔天線，以作為圓極化饋入源，並結合了時域脈衝技術，建構一套多功能天線量測系統。此外，此系統可以截取並移除反射面天線之邊緣所產生之繞射場，亦可應用在縮距反射面天線量測場。

Multiple beam reflector antenna is composed of array feed antennas. It is an available approach for increasing the capacity of the satellite communications. The development of high efficiency multiple beam antenna for direct broadcasting satellite (DBS) is presented in this thesis. By a high-level language with Fortran program, a CAD simulator is designed for commercial applications. The feed of reflector antenna is constructed by utilizing the corrugated horn in company with circular polarizer to receive the circular polarization (CP) signals. The CP corrugated horn antenna exhibits good axial ratio and symmetrical radiation pattern.
The antenna test ranges included compact range, near field range, far filed range and outdoor far field range are in applications. Generally, the transmitting antennas are with the characteristics of narrow band. For wide band measurements, several transmitting antennas with various narrow bands are required. In practice, the uncertain factors occur usually. In this paper, two comb slot antennas with low directivity are designed for UWB (ultra wideband) applications. The operating bandwidths of these antennas are from 3GHz to 20GHz and 20GHz to 40GHz respectively. These antennas are extensively applied in the probe of the antenna test ranges. Instead of the properties of ultra wideband, it exhibits the symmetrical radiation pattern, low directivity. In addition, the phase center has large tolerance to the operating frequency modulation.
The commercial 180cm DBS reflector combined with the designed UWB comb slot antenna are proposed as the feed to design a compact test range. Cooperating with ITDAMS (Impulse Time Domain Antenna Measurement System) techniques, an available and multi-function antenna measurement system is achieved. Due to the edge diffraction fields of reflector can be gated out by the ITDAMS, it can be applied for compact range antenna measurement system.

目錄

封面內頁
簽名頁
授權書.............................................................iii
中文摘要............................................................iv
英文摘要............................................................vi
誌謝..............................................................viii
目錄................................................................ix
圖目錄..............................................................xi
表目錄...........................................................xviii

第一章　緒論..........................................................1
1.1 前言.............................................................1
1.2 研究動機與目的....................................................1
1.3 論文架構.........................................................2
第二章 高效率多波束形變反射面天線之模擬軟體設計...........................4
2.1 多波束反射面天線之簡介.............................................4
2.2 多波束形變反射面天線之最佳化設計....................................6
2.3 多波束反射面天線之模擬分析及量測結果比較.............................9
第三章 圓極化波紋喇叭天線之設計........................................20
3.1 極化波理論分析...................................................20
3.1.1 各種極化簡介...................................................20
3.1.2 圓形極化波產生條件..............................................21
3.1.3 線性極化與圓形極化之關係........................................21
3.1.4 探討電場強度與相位變化對軸比的影響................................22
3.2 兩種不同結構的圓極化器之設計.......................................24
3.3 圓極化波紋喇叭天線之模擬與量測結果比較..............................25
第四章 反向線性梳型槽孔天線設計........................................35
4.1 漸窄式天線簡介...................................................35
4.2 梳型槽孔天線設計.................................................37
4.3 模擬與量測結果...................................................38
第五章 梳型槽孔天線在各種天線量測場之應用...............................61
5.1 縮距天線量測場之簡介..............................................61
5.2 縮距天線量測場之靜態區探討.........................................62
5.3梳型槽孔天線應用於縮距天線量測場之饋入源.............................64
5.4梳型槽孔天線應用於近場天線量測場之饋入源.............................64
第六章 結論..........................................................95

圖目錄

圖 2.1 傳統低軌道同步衛星直播系統......................................10
圖 2.2 多波束低軌道同步衛星直播系統....................................10
圖 2.3 多波束形變反射面天線軟體設計原始流程圖...........................11
圖 2.4 尋找正焦與偏焦最大掃描角度程式流程圖.............................12
圖 2.5 多波束形變反射面天線程式設計流程圖...............................12
圖 2.6 二分搜尋演算法流程圖...........................................13
圖 2.7 多個饋入源的拋物面反射面天線(形變前).............................13
圖 2.8 形變前之大小分佈...............................................14
圖 2.9 形變前的相位變化...............................................14
圖 2.10 形變前之反射面天線場型........................................15
圖 2.11 形變後的多個饋入源拋物面反射面天線..............................15
圖 2.12 形變後之大小分佈..............................................16
圖 2.13 形變後的相位變化..............................................16
圖 2.14 形變後的反射面天線場型........................................17
圖 2.15 大小尺寸為52乘46公分之多波束反射面天線..........................17
圖 2.16 實際量測之多波束反射面天線場型.................................18
圖 3.1 階梯型圓極化器結構圖...........................................27
圖 3.2 斜坡型圓極化器結構圖...........................................27
圖 3.3 模擬兩極化器軸比比較圖.........................................28
圖 3.4 波紋喇叭天線與圓極化片結構圖....................................28
圖 3.5 模擬與量測反射係數比較圖........................................29
圖 3.6 近場量測環境圖................................................29
圖 3.7 實驗量測XZ、YZ-plane在12.2GHz輻射場型圖........................30
圖 3.8 模擬XZ、YZ-plane在12.2GHz輻射場型圖............................30
圖 3.9 實驗量測XZ、YZ-plane在12.45GHz輻射場型圖.......................31
圖 3.10 模擬XZ、YZ-plane在12.45GHz輻射場型圖..........................31
圖 3.11 實驗量測XZ、YZ-plane在12.7GHz輻射場型圖.......................32
圖 3.12 模擬XZ、YZ-plane在12.7GHz輻射場型圖...........................32
圖 3.13 模擬與量測圓極化軸比比較圖.....................................33
圖 3.14 實際量測指向性...............................................33
圖 3.15 實際量測半功率波束寬..........................................34
圖 4.1 不同槽線樣式的TSA天線..........................................41
圖 4.2 LTSA基本圖形..................................................42
圖 4.3 由Ehud Gazit發展出來的對稱型TSA天線............................42
圖 4.4 梳型槽孔天線結構圖3GHz~20GHz...................................43
圖 4.5 模擬的天線返回損失比較圖........................................43
圖 4.6 模擬E-plane(X-Y)在18GHz輻射場型比較圖..........................44
圖 4.7 模擬H-plane(Y-Z)在18GHz輻射場型比較圖..........................44
圖 4.8 模擬與實驗量測的天線返回損失圖..................................45
圖 4.9 模擬與實驗量測E-plane(Red), H-plane(Blue)在3GHz的輻射場型圖.....45
圖 4.10 模擬與實驗量測E-plane(Red), H-plane(Blue)在4GHz的輻射場型圖....46
圖 4.11 模擬與實驗量測E-plane(Red), H-plane(Blue)在5GHz的輻射場型圖....46
圖 4.12 模擬與實驗量測E-plane(Red), H-plane(Blue)在6GHz的輻射場型圖....47
圖 4.13 模擬與實驗量測E-plane(Red), H-plane(Blue)在7GHz的輻射場型圖....47
圖 4.14 模擬與實驗量測E-plane(Red), H-plane(Blue)在8GHz的輻射場型圖....48
圖 4.15 模擬與實驗量測E-plane(Red), H-plane(Blue)在9GHz的輻射場型圖....48
圖 4.16 模擬與實驗量測E-plane(Red), H-plane(Blue)在10GHz的輻射場型 圖.................................................................49
圖 4.17 模擬與實驗量測E-plane(Red), H-plane(Blue)在11GHz的輻射場型圖.................................................................49
圖 4.18 模擬與實驗量測E-plane(Red), H-plane(Blue)在12GHz的輻射場型圖.................................................................50
圖 4.19 模擬與實驗量測E-plane(Red), H-plane(Blue)在13GHz的輻射場型圖.................................................................50
圖 4.20 模擬與實驗量測E-plane(Red), H-plane(Blue)在14GHz的輻射場型圖.................................................................51
圖 4.21 模擬與實驗量測E-plane(Red), H-plane(Blue)在15GHz的輻射場型圖.................................................................51
圖 4.22 模擬與實驗量測E-plane(Red), H-plane(Blue)在16GHz的輻射場型圖.................................................................52
圖 4.23 模擬與實驗量測E-plane(Red), H-plane(Blue)在17GHz的輻射場型圖.................................................................52
圖 4.24 實驗量測E-plane(X-Y), H-plane(Y-Z)在3GHz相位變化..............53
圖 4.25 實驗量測E-plane(X-Y), H-plane(Y-Z)在6GHz相位變化..............53
圖 4.26 實驗量測E-plane(X-Y), H-plane(Y-Z)在9GHz相位變化..............53
圖 4.27 實驗量測E-plane(X-Y), H-plane(Y-Z)在12GHz相位變化.............54
圖 4.28 實驗量測E-plane(X-Y), H-plane(Y-Z)在15GHz相位變化.............54
圖 4.29 線性度量測環境圖..............................................55
圖 4.30 實驗量測相位線性度............................................55
圖 4.31 實驗量測頻域傳輸係數分佈.......................................56
圖 4.32 實驗量測截取時域主要訊號.......................................56
圖 4.33 實驗量測的增益值..............................................57
圖 4.34 Ka band梳型槽孔天線結構圖20GHz~40GHz..........................57
圖 4.35 模擬與實驗量測的天線返回損失比較圖..............................58
圖 4.36 Ka band梳型槽孔天線量測環境圖.................................58
圖 4.37 模擬與實驗量測E-plane(X-Y)在18, 22, 35GHz輻射場型圖............59
圖 4.38 模擬與實驗量測H-plane(Y-Z)在18, 22, 35GHz輻射場型圖............59
圖 5.1 第一代縮距時域脈衝量測系統......................................66
圖 5.2 第二代縮距時域脈衝量測系統......................................66
圖 5.3 梳型槽孔天線當作饋入源.........................................67
圖 5.4 XY掃瞄器進行場強調校...........................................67
圖 5.5 垂直極化水平面相位平坦度........................................68
圖 5.6 垂直極化垂直面相位平坦度........................................68
圖 5.7 場強分佈(3GHz)................................................69
圖 5.8 場強分佈(8GHz)................................................69
圖 5.9 場強分佈(12GHz)...............................................70
圖 5.10 場強分佈(15GHz)..............................................70
圖 5.11 DRH於近場量測環境圖...........................................71
圖 5.12 DRH 於縮距反射面量測場量測環境圖...............................71
圖 5.13 DRH於兩個量測場輻射場型比較圖(3GHz)............................72
圖 5.14 DRH於兩個量測場輻射場型比較圖(4GHz)............................72
圖 5.15 DRH於兩個量測場輻射場型比較圖(5GHz)............................73
圖 5.16 DRH於兩個量測場輻射場型比較圖(6GHz)............................73
圖 5.17 DRH於兩個量測場輻射場型比較圖(7GHz)............................74
圖 5.18 DRH於兩個量測場輻射場型比較圖(8GHz)............................74
圖 5.19 DRH於兩個量測場輻射場型比較圖(9GHz)............................75
圖 5.20 DRH於兩個量測場輻射場型比較圖(10GHz)...........................75
圖 5.21 DRH於兩個量測場輻射場型比較圖(11GHz)...........................76
圖 5.22 DRH於兩個量測場輻射場型比較圖(12GHz)...........................76
圖 5.23 DRH於兩個量測場輻射場型比較圖(13GHz)...........................77
圖 5.24 窄頻段發射天線當近場量測系統之發射天線..........................77
圖 5.25 梳型槽孔天線當近場量測系統之發射天線............................78
圖 5.26 TEM horn天線當近場量測系統之發射天線...........................78
圖 5.27 E-plane天線輻射場型比較圖（3GHz）.............................79
圖 5.28 H-plane天線輻射場型比較圖（3GHz）.............................79
圖 5.29 E-plane天線輻射場型比較圖（4GHz）.............................80
圖 5.30 H-plane天線輻射場型比較圖（4GHz）.............................80
圖 5.31 E-plane天線輻射場型比較圖（5GHz）.............................81
圖 5.32 H-plane天線輻射場型比較圖（5GHz）.............................81
圖 5.33 E-plane天線輻射場型比較圖（6GHz）.............................82
圖 5.34 H-plane天線輻射場型比較圖（6GHz）.............................82
圖 5.35 E-plane天線輻射場型比較圖（7GHz）.............................83
圖 5.36 H-plane天線輻射場型比較圖（7GHz）.............................83
圖 5.37 E-plane天線輻射場型比較圖（8GHz）.............................84
圖 5.38 H-plane天線輻射場型比較圖（8GHz）.............................84
圖 5.39 E-plane天線輻射場型比較圖（9GHz）.............................85
圖 5.40 H-plane天線輻射場型比較圖（9GHz）.............................85
圖 5.41 E-plane天線輻射場型比較圖（10GHz）............................86
圖 5.42 H-plane天線輻射場型比較圖（10GHz）............................86
圖 5.43 E-plane天線輻射場型比較圖（11GHz）............................87
圖 5.44 H-plane天線輻射場型比較圖（11GHz）............................87
圖 5.45 E-plane天線輻射場型比較圖（12GHz）............................88
圖 5.46 H-plane天線輻射場型比較圖（12GHz）............................88
圖 5.47 E-plane天線輻射場型比較圖（13GHz）............................89
圖 5.48 H-plane天線輻射場型比較圖（13GHz）............................89
圖 5.49 E-plane天線輻射場型比較圖（14GHz）............................90
圖 5.50 H-plane天線輻射場型比較圖（14GHz）............................90
圖 5.51 E-plane天線輻射場型比較圖（15GHz）............................91
圖 5.52 H-plane天線輻射場型比較圖（15GHz）............................91
圖 5.53 E-plane天線輻射場型比較圖（16GHz）............................92
圖 5.54 H-plane天線輻射場型比較圖（16GHz）............................92
圖 5.55 E-plane天線輻射場型比較圖（17GHz）............................93
圖 5.56 H-plane天線輻射場型比較圖（17GHz）............................93
圖 5.57 E-plane天線輻射場型比較圖（18GHz）............................94
圖 5.58 H-plane天線輻射場型比較圖（18GHz）............................94

表目錄

表 2.1 形變前之反射面天線增益.........................................18
表 2.2 形變後之反射面天線增益.........................................18
表 2.3 多波束天線之分析及實際量測之比較................................19
表 4.1 模擬的主要平面HPBW、SLL、BLL比較表.............................60
表 4.2 實驗量測的主要平面HPBW、SLL、BLL比較表..........................60
表 4.3 實驗量測E-plane(X-Y), H-plane(Y-Z)相位變化.....................61

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