率分配器的部份，我們選用以 RO5880 為基板的 一分四平面式放射性共振腔功率分配器，選用
RO5880作基板，可以改善功率分配器的損耗。而
高 頻 切 換 器 使 用 NEC 公 司 的 µPG2012T， 在
2.4GHz下可以提供低於-1dB的介入損耗。天線端
則是使用金屬柱牆號角陣列做為收發端，以涵蓋 水平面360度角的切換使用。
圖3-22 具動態波束配置 性之天線系統結構圖 我們在金屬柱牆號角陣列下方用金屬鋁製作一金屬盒，把高頻切換器、平面 式放射性共振腔功率分配器與控制電路板皆收納於其中，除了整齊美觀外也避免 可能的外界高頻雜訊的干擾。控制訊號部分，使用NI公司的Labview軟體搭配
D-type 25接腳的接頭來提供3伏的電壓，以控制四個高頻切換器的開關，進而
達到自動波束切換的功能。圖3-23為具動態波束配置性之天線系統實作結構圖。
(a) (b)
圖3-23 具動態波束配置性之天線系統實作結構圖
(a)側面圖 (b)斜視圖
38
S parameter S11
2 2.2 2.4 2.6 2.8 3
40
藉由功率分配器與高頻切換器的搭配，使得我們的波束切換系統可以擁有較 高的變化性。除了單方向窄波束做波束切換外，還能夠提供較大 3dB 頻寬範圍 的單波束掃瞄；同時兩相對方向做雙波束掃瞄；做全區域廣播等，形成一可動態 調整的波束掃描系統
在單方向窄波束做波束切換下，單波束水平面3dB頻寬約66°，左右各33°， 可涵蓋住垂直切割空間下 73％的區域範圍，並且旁波瓣與主波束的差值可達到
-15dB左右，後波瓣與主波束差值更可達到-20dB左右，如圖3-27所示。當我們
需要較大範圍的波束切換功能時，可以選擇把四方向性號角天線的相鄰兩埠給輪 流開啟，此時單波束水平面的 3dB 頻寬可將近達到 180°左右的範圍，可以提供 一個非常寬的使用範圍，如圖3-28所示。
0
45
90
135
180 225
270
315
-30 -20 -10 0
XY Pattern Port 1 on Port 2 on Port 3 on Port 4 on
圖3-27 具動態波束配置性之天線系統單埠開啟增益量測圖
0
42
2 port pattern in 2.4 GHz measure port 1,3 simulation port 1,3 measure port 2,4 simulation port 2,4
0
0
44
第四章 第四章 第四章
第四章 結論 結論 結論 結論
(Conclusion)
在本論文中，我們使用功率分配器搭配高頻切換器的方式形成高頻切換系 統，再搭配環形天線陣列(Ring Arrays)建構成具動態波束配置性之天線系統。它 是一種藉由不同的高頻切換器組合形成不同波束的系統，除了傳統的四方向波束 外，還可以形成45°斜角的波束，使得在波束切換過程中不會產生死角。
藉由基板共振腔結構來做一分多功率分配器，具有功率分配平均、功率分配 同相位、設計與製程容易等優點，並且所佔面積小，適合用在多種系統中。金屬 柱牆號角陣列使用金屬柱體(via)來形成四波束天線系統，並用單極天線做激發 源，再搭配功率分配器與高頻切換器(RF Switch)來實現在水平面(XY 平面)的多 種波束切換功能，形成一個動態的波束切換系統。
模擬部份，我們用電磁模擬軟體 CST 去計算平面式放射性共振腔功率分配 器與金屬柱牆號角陣列的反射與輸入損失，並且觀察共振腔內的電場分布與號角 天線的增益場形。
實作部份，我們使用60mil的RO5880基板去製作平面式放射性共振腔一分 四功率分配器；金屬柱牆號角陣列則用金屬鋁和金屬銅柱來製作整體結構；使用
N.I.公司的LabVIEW搭配D-type 25 pin的接頭來做系統控制。最後再由網路分
析儀HP-8722D進行反射係數與介入損失的量測，並以遠場量測實驗室量測金屬
柱牆號角陣列和具動態波束配置性之天線系統的增益。
放射性共振腔功率分配器的中心頻率落在2.417GHz 上，與所設計的2.4GHz 差異了 17MHz；-10dB 頻寬從 2.338GHz 到 2.505GHz 總共 167MHz 比模擬的 160MHz略好一點；透射係數分別為-6.302dB、-6.625dB、-6.560dB、-6.104dB比
模擬的-6.05dB略差一些。
金屬柱牆號角陣列實作的-10dB 頻寬從2.3GHz 到 3GHz與模擬的結果十分
符合；提供雙方向的-3dB波束頻寬，在水平面上的-3dB頻寬為66度，左右兩邊 各33度；在鉛直面上的-3dB頻寬為64度，上下面兩邊各32度；各埠之間具有
-20dB以上的隔離度，避免各埠之間的訊號會互相干擾。
具動態波束配置性之天線系統提供多種型式的波束，可以真正覆蓋 360°範 圍。除形成 66°的窄波束切換外，還可以形成寬波束涵蓋斜 45°的區域。可應用 於室內無線網路基地台之發射與接收而不會產生死角，以提高使用範圍並降低雜 訊接受度。
不過以天線來說，此天線系統的增益值還略嫌低了一點，如何再有效的增加 增益而不增加結構尺寸應該是可以繼續改善的目標。除此之外，目前的控制線路 加上高頻切換器也佔去不少的空間，這部分的改善應該也是重要的目標。
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參考文獻
[1] W.L. Stutzman and G. A. Thiele, Antenna Theorey and Design, 2nd ed., John Wiley,New York,1998.
[2] D. M. Pozar, Microwave Engineering, 2nd ed., John Wiley, New York, 1998.
[3] K. Song, Y.Fan and Y. Zhang,“Eight-Way Substrate Integrated Waveguide Power Divider With Low Insertion Loss,” IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 50, no. 6, June 2008.
[4] L. J. Peter Linner and Gunnar Andersson,“Multi-Terminal power divider combining cavity and stripline technique,” European Microwave Conference, 1983.
13th, Oct. 2006 pp.348–353.
[5] Kuga N. and Arai H.,“A Flat Four-Beam Switched Array Antenna,” IEEE Trans.
on Antennas and Propagation., vol. 44, no. 9, Sept. 1996, pp.1227-1230.
[6] K. Solbach, S. Angenendt,“Four-square array for multibeam applications using novel matrix feed,” Microwave Conference, 2007. European , pp.1637-1640, 9-12 Oct. 2007.
[7] G. Giorgetti, A. Cidronali, S. K.S. Gupta and G. Manes,“Exploiting Low-Cost Directional Antennas in 2.4 GHz IEEE 802.15.4 Wireless Sensor Networks,” Wireless Technologies, 2007 European Conference , 8-10 Oct. 2007, pp.217–220.
[8] K. Wincza, S. Gruszczynski and K. Sachse, “Reduced sidelobe four-beam antenna array fed by modified Butler matrix,” Electronics Letters, Vol 42, Issue 9, 27 April 2006 pp.508-509.
[9] M. Krairiksh, P. Ngamjanyaporn and C. Kessuwan,“A flat four-beam compact phased array antenna,” IEEE MWCL, vol.12, No.5, May 2002, pp.184-186.
[10] F. Xu and K. Wu,“Guided-Wave and Leakage Characteristics of Substrate Integrated Waveguide,” Microwave Theory and Techniques, IEEE Transactions on , vol.53, no.1, pp. 66-73, Jan. 2005.