臺灣博碩士論文加值系統

本論文提出在10 GHz 頻段高增益雙極化金屬貼片天線陣列。利用直接饋入與開槽耦合方向相差 的方式達成線性雙極化，使用易於電路加工之金屬貼片作為主貼片天線，並利用寄生元件與空氣夾層提高增益值與頻寬，最後將雙極化單體貼片天線設計出後，利用平行並聯饋入法，將單體天線設計為2×2雙極化天線陣列、4×4雙極化天線陣列、8×8雙極化天線陣列，最終將雙極化天線設計為高增益之16×16雙極化天線陣列。
在設計過程中使用四分之一波長阻抗轉換器來調整傳輸線之阻抗匹配，使天線達到阻抗匹配。8×8雙極化天線陣列與16×16雙極化天線陣列結果無法用電磁軟體模擬，因此藉由2×2雙極化天線陣列、4×4雙極化天線陣列之結果估算。
本論文中，四種天線陣列結構在9.5 GHz到10.5 GHz頻段皆有1 GHz的頻寬，雙饋入間之隔離度皆25 dB以上。2×2雙極化天線陣列之雙饋入在10 GHz量測增益值分別為12.05 dB、11.23 dB。4×4雙極化天線陣列之雙饋入在10 GHz量測增益值分別為16.28 dB、15.18 dB。8×8雙極化天線陣列之雙饋入在10 GHz量測增益值分別為19.36 dB、17.51 dB，16×16雙極化天線陣列之雙饋入在10 GHz量測增益值分別為20.68 dB、20.21 dB。

The purpose of this thesis is to design a high-gain dual-polarization microstrip antenna array for X-Band. The orthogonal direction of the two feeds causes a linear dual-polarization operation. The planar patch antenna is chosen as the single antenna element, allowing easy circuit processing and the improvement of the gain and bandwidth by using parasitic element, antenna array and air media. The design of the single element patch antenna is presented. The 2×2 and 4×4 dual-polarized patch antenna arrays are designed by connecting antenna elements with parallel feed line and simulated and measured results are presented. Finally, the measured result of the high-gain of 16×16 dual-polarized patch antenna array is also presented.
In the design of the feed line of the antenna arrays, quarter-wavelength impedance transformers are used to achieve impedance matching of the antenna arrays. Due to its large size, the 8×8 and 16×16 dual-polarized patch antenna array cannot be simulated by electromagnetic software, therefore, its performance is estimated by the results of 2×2 and 4×4 dual-polarized antenna array.
The bandwidths of these structures are over 1 GHz for the 9.5 GHz-10.5 GHz band and the isolations between the two feds are better than 25 dB. The measured gain of the two polarization of the 2×2 dual-polarized antenna array are 12.05 dB and 11.23 dB, respectively. The measured gain of 4×4 dual-polarized antenna array are 16.28 dB and 15.18 dB, respectively. The measured gain of 8×8 dual-polarized antenna array are 19.36 dB and 17.51 dB, and the measured gain of 16×16 dual-polarized antenna array are 20.68 dB and 20.21 dB.

---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
摘要 vi
Abstract vii
目錄 ix
圖目錄 xiii
表目錄 xxi
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 - 3 -
1-4 內容提要 - 4 -
第二章 貼片金屬雙極化單體天線 - 5 -
2-1 概述 - 5 -
2-2 微帶天線 - 6 -
2-3 貼片天線基礎理論與結構分析 - 7 -
2-4 堆疊貼片天線基礎理論與結構分析 - 12 -
2-5 貼片金屬雙極化單體天線設計 - 13 -
2-5-1 設計流程 - 13 -
2-5-2 矩形微帶饋入天線 - 15 -
2-5-3 參數調整 - 20 -
2-5-4 微帶線開槽耦合饋入之矩形貼片天線 - 25 -
2-5-5 參數調整 - 30 -
2-6 貼片金屬雙極化單體天線之實作 - 35 -
2-7 結果與討論 - 41 -
第三章 貼片金屬雙極化天線陣列 - 45 -
3-1 概述 - 45 -
3-2 陣列天線基礎理論與結構分析 - 46 -
3-3 貼片金屬雙極化2×2天線陣列 - 48 -
3-3-1 設計流程 - 48 -
3-3-2 四分之一波長阻抗轉換器 - 50 -
3-3-3 1×2天線陣列設計 - 51 -
3-3-4 2×2天線陣列結構傳輸線阻抗匹配設計 - 58 -
3-3-5 2×2天線陣列實作 - 63 -
3-3-6結果與討論 - 69 -
3-4 貼片金屬雙極化4×4天線陣列 - 71 -
3-4-1 設計流程 - 71 -
3-4-2 4×4天線陣列結構傳輸線阻抗匹配設計 - 72 -
3-4-3 4×4天線陣列實作 - 74 -
3-4-4 結果與討論 - 81 -
3-5 貼片金屬雙極化8×8天線陣列 - 83 -
3-5-1 設計流程 - 83 -
3-5-2 8×8天線陣列結構傳輸線阻抗匹配設計 - 84 -
3-5-3 8×8天線陣列實作 - 86 -
3-5-4 結果與討論 - 93 -
3-6 貼片金屬雙極化16×16天線陣列 - 94 -
3-6-1 設計流程 - 94 -
3-6-2 16×16天線陣列結構傳輸線阻抗匹配設計 - 95 -
3-6-3 16×16天線陣列實作 - 98 -
3-6-4 結果與討論 - 104 -
第四章 結論 - 106 -
4-1 量測與模擬之增益值誤差探討 - 106 -
4-2 總結 - 110 -
參考文獻 - 113 -

---圖目錄---
圖2-1 各種平面印刷式傳輸線。(a)夾心代線(b)微帶線(c)共平面波導(d)溝槽線 - 5 -
圖2-2 微帶線種類(a)貼片天線(b)槽孔天線(c)環形天線 - 7 -
圖2-3 微帶貼片天線結構側視圖 - 8 -
圖2-4 微帶貼片天線電場分布圖(a)上視圖 (b)側視圖 - 11 -
圖2-5 微帶堆疊貼片天線結構示意圖。(a)上視圖 (b)側視圖 - 13 -
圖2-6 單體雙極化微帶貼片天線結構圖。(a)上視圖 (b)立體圖 - 14 -
圖2-7 單一貼片天線上視圖 - 15 -
圖2-8 單一貼片天線側視圖 - 15 -
圖2-9 單一貼片天線之Z參數實虛部 - 16 -
圖2-10 單一貼片天線模擬之反射係數 - 17 -
圖2-11 兩層式對稱堆疊貼片天線結構圖(a)上視圖(b)立體視圖 - 18 -
圖2-12 堆疊貼片天線模擬之反射係數圖 - 19 -
圖2-13 模擬之堆疊貼片天線在10.11 GHz場型圖 - 20 -
圖2-14 調整堆疊貼片之共振長度 - 21 -
圖2-15 調整堆疊貼片之阻抗匹配 - 22 -
圖2-16 調整堆疊貼片與主貼片之距離 - 23 -
圖2-17 調整主貼片天線之長度 - 24 -
圖2-18 調整主貼片天線之寬度 - 25 -
圖2-19 開路殘段長度 、開槽長度寬度示意圖 - 26 -
圖2-20 雙饋入上視圖 - 27 -
圖2-21 雙極化單體天線之S11與S22 - 28 -
圖2-22 雙極化單體天線Port 1與Port 2模擬之隔離度 - 29 -
圖2-23 雙極化單體天線Port 1在中心頻率10.11 GHz之場型 - 29 -
圖2-24 雙極化單體天線Port 2在中心頻率10.24 GHz之場型 - 30 -
圖2-25 改變開槽長度 之反射係數 - 31 -
圖2-26 改變開槽寬度 之反射係數 - 32 -
圖2-27 改變H型開槽長度之反射係數 - 33 -
圖2-28 改變 之反射係數 - 34 -
圖2-29 調整寄生元件之寬度 - 35 -
圖2-30 (a) 雙極化單體天線上視圖(b) 雙極化單體天線背視圖 - 36 -
圖2-31 雙極化單體天線側視圖 - 37 -
圖2-32 雙極化單體天線模擬與量測之S11 - 37 -
圖2-33 雙極化單體天線模擬與量測之S22 - 38 -
圖2-34 雙極化單體天線模擬與量測之S21 - 38 -
圖2-35 單體天線Port 1在10 GHz(E-plane)之模擬與量測場型 - 39 -
圖2-36 單體天線Port 1在10 GHz(H-plane)之模擬與量測場型 - 39 -
圖2-37 單體天線Port 2在9.6 GHz(E-plane)之模擬與量測場型 - 40 -
圖2-38 單體天線Port 2在9.6 GHz(H-plane)之模擬與量測場型 - 40 -
圖2-39 雙極化單體天線Port 1之E-plane、H-plane增益值數線圖 - 44 -
圖2-40 雙極化單體天線Port 2之E-plane、H-plane增益值數線圖 - 44 -
圖3-1 等間距線性天線陣列 - 46 -
圖3-2 等間距二維平面天線陣列 - 47 -
圖3-3 1×2天線陣列Port 1示意圖 - 49 -
圖3-4 1×2天線陣列Port 2示意圖 - 49 -
圖3-5 雙極化2×2天線陣列結構 - 50 -
圖3-6 四分之一波長阻抗轉換器 - 51 -
圖3-7 1×2天線陣列Port 1負載阻抗示意圖 - 52 -
圖3-8 1×2天線陣列Port 1傳輸線阻抗 - 53 -
圖3-9 模擬之1×2天線陣列結構Port 1反射係數 - 54 -
圖3-10 模擬之1×2天線陣列結構Port 1在10.02 GHz輻射場型圖 - 54 -
圖3-11 1×2天線陣列Port 2負載阻抗示意圖 - 55 -
圖3-12 1×2天線陣列Port 2傳輸線阻抗 - 56 -
圖3-13 模擬之1×2天線陣列結構Port 2反射係數 - 57 -
圖3-14 模擬之1×2天線陣列結構Port 2在10.03 GHz輻射場型圖 - 57 -
圖3-15 2×2天線陣列之各單元天線中心對中心之相隔距離 - 59 -
圖3-16 2×2天線陣列結構Port 1傳輸線示意圖 - 60 -
圖3-17 2×2天線陣列結構Port 1傳輸線1與2之阻抗轉換 - 60 -
圖3-18 2×2天線陣列結構Port 1傳輸線3之阻抗轉換 - 61 -
圖3-19 2×2天線陣列結構Port 2傳輸線示意圖 - 62 -
圖3-20 2×2天線陣列結構Port 2傳輸線1與2之阻抗轉換 - 62 -
圖3-21 2×2天線陣列結構Port 2傳輸線3之阻抗轉換 - 63 -
圖3-22 2×2天線陣列實作圖(a)上視圖(b)背視圖 - 64 -
圖3-23 2×2天線陣列實作側視圖 - 64 -
圖3-24 2×2天線陣列Port 1模擬與量測之S11 - 65 -
圖3-25 2×2天線陣列Port 2模擬與量測之S22 - 65 -
圖3-26 2×2天線陣列模擬與量測之S21 - 66 -
圖3-27 2×2天線陣列Port1在10 GHz(E-plane)之模擬與量測場型 - 67 -
圖3-28 2×2天線陣列Port1在10 GHz(H-plane)之模擬與量測場型 - 67 -
圖3-29 2×2天線陣列Port2在10 GHz(E-plane)之模擬與量測場型 - 68 -
圖3-30 2×2天線陣列Port2在10 GHz(H-plane)之模擬與量測場型 - 68 -
圖3-31 2×2天線陣列Port 1之E-plane、H-plane增益值數線圖 - 70 -
圖3-32 2×2天線陣列Port 2之E-plane、H-plane增益值數線圖 - 71 -
圖3-33 4×4天線陣列示意圖 - 72 -
圖3-34 4×4天線陣列結構Port 1傳輸線示意圖 - 73 -
圖3-35 4×4天線陣列Port 1傳輸線1、2、3之阻抗轉換 - 73 -
圖3-36 4×4天線陣列結構Port 2傳輸線示意圖 - 74 -
圖3-37 4×4天線陣列Port 2傳輸線1、2、3之阻抗轉換 - 74 -
圖3-38 4×4天線陣列實作圖(a)上視圖(b)背視圖 - 76 -
圖3-39 4×4天線陣列實作側視圖 - 76 -
圖3-40 4×4天線陣列Port 1模擬與量測之S11 - 77 -
圖3-41 4×4天線陣列Port 2模擬與量測之S22 - 77 -
圖3-42 4×4天線陣列模擬與量測之S21 - 78 -
圖3-43 4×4天線陣列Port1在10 GHz(E-plane)之模擬與量測場型 - 79 -
圖3-44 4×4天線陣列Port1在10 GHz(H-plane)之模擬與量測場型 - 79 -
圖3-45 4×4天線陣列Port2在10 GHz(E-plane)之模擬與量測場型 - 80 -
圖3-46 4×4天線陣列Port2在10 GHz(H-plane)之模擬與量測場型 - 80 -
圖3-47 4×4天線陣列Port 1之E-plane、H-plane增益值數線圖 - 82 -
圖3-48 4×4天線陣列Port 2之E-plane、H-plane增益值數線圖 - 82 -
圖3-49 8×8天線陣列示意圖 - 83 -
圖3-50 8×8天線陣列結構Port 1傳輸線示意圖 - 84 -
圖3-51 8×8天線陣列Port 1傳輸線1、2、3之阻抗轉換 - 85 -
圖3-52 8×8天線陣列結構Port 2傳輸線示意圖 - 85 -
圖3-53 8×8天線陣列Port 2傳輸線1、2、3之阻抗轉換 - 86 -
圖3-54 8×8天線陣列實作圖(a)上視圖(b)背視圖 - 88 -
圖3-55 8×8天線陣列實作Port 1與Port 2側視圖 - 88 -
圖3-56 8×8天線陣列量測之S11 - 89 -
圖3-57 8×8天線陣列量測之S22 - 89 -
圖3-58 8×8天線陣列量測之S21 - 90 -
圖3-59 8×8天線陣列Port1在10 GHz(E-plane)之正規化量測場型 - 91 -
圖3-60 8×8天線陣列Port1在10 GHz(H-plane)之正規化量測場型 - 91 -
圖3-61 8×8天線陣列Port2在10 GHz(E-plane)之正規化量測場型 - 92 -
圖3-62 8×8天線陣列Port2在10 GHz(H-plane)之正規化量測場型 - 92 -
圖3-63 8×8天線陣列Port1與Port2之量測增益值數線圖 - 94 -
圖3-64 16×16天線陣列示意圖 - 95 -
圖3-65 8×8天線陣列結構Port 1傳輸線示意圖 - 96 -
圖3-66 8×8天線陣列Port 1傳輸線1、2、3之阻抗轉換 - 96 -
圖3-67 8×8天線陣列結構Port 2傳輸線示意圖 - 97 -
圖3-68 8×8天線陣列Port 2傳輸線1、2、3之阻抗轉換 - 97 -
圖3-69 16×16天線陣列實作圖(a)上視圖(b)背視圖 - 99 -
圖3-70 16×16天線陣列實作側視圖 - 100 -
圖3-71 16×16天線陣列模擬與量測之S11 - 100 -
圖3-72 16×16天線陣列模擬與量測之S22 - 101 -
圖3-73 16×16天線陣列模擬與量測之S21 - 101 -
圖3-74 16×16天線陣列Port1在10 GHz(E-plane)之正規化量測場型 - 102 -
圖3-75 16×16天線陣列Port1在10 GHz(H-plane)之正規化量測場型 - 102 -
圖3-76 16×16天線陣列Port2在10 GHz(E-plane)之正規化量測場型 - 103 -
圖3-77 16×16天線陣列Port2在10 GHz(E-plane)之正規化量測場型 - 103 -
圖3-78 16×16天線陣列Port1與Port2之量測增益值數線圖 - 105 -
圖4-1 各尺寸之天線在不同接地面材質之傳輸線損耗損耗數線圖 - 108 -
圖4-2 SMA接頭幾何結構 (a)側視圖 (b)前視圖 - 108 -
圖4-3 介電係數對Port 1反射係數影響 - 109 -
圖4-4 介電係數對Port 2反射係數影響 - 110 -
圖4-5 整體電路損耗與增益值誤差比較 - 112 -

---表目錄---
表2.1 貼片天線相關參數 - 16 -
表2.2 基板相關參數 - 19 -
表2.3 主貼片與堆疊貼片天線相關參數 - 19 -
表2.4 基板相關參數 - 27 -
表2.5 雙極化單體天線Port 1與Port 2之S參數模擬結果值 - 28 -
表2.6 雙極化單體天線相關S參數 - 43 -
表2.7 雙極化單體天線各頻率之模擬與量測增益值 - 43 -
表3.1 1×2天線陣列結構之Port 1與Port 2 S參數模擬結果值 - 58 -
表3.2 單體結構與1×2天線陣列增益值比較表 - 58 -
表3.3 2×2天線陣列Port 1 相關傳輸線阻抗長寬度整理表 - 61 -
表3.4 2×2天線陣列Port 2 相關傳輸線阻抗長寬度整理表 - 63 -
表3.5 2×2天線陣列相關S參數 - 70 -
表3.6 2×2天線陣列各頻率之模擬與量測增益值 - 70 -
表3.7 4×4天線陣列相關S參數 - 81 -
表3.8 4×4天線陣列各頻率之模擬與量測增益值 - 81 -
表3.9 8×8天線陣列相關S參數 - 93 -
表3.10 8×8天線陣列各頻率之量測增益值 - 93 -
表3.11 16×16天線陣列相關S參數 - 104 -
表3.12 16×16天線陣列各頻率之量測增益值 - 104 -
表4-1 各天線尺寸之模擬、估算及量測增益值比較表 - 106 -
表4-2 各尺寸之天線在不同接地面材質之傳輸線損耗損耗 - 107 -
表4-3 SMA接頭幾何結構尺寸 - 109 -
表4-4 各天線尺寸之整體電路損耗 - 112 -

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