第二章 新型雙波束掃描相列天線
2.2 單波束掃描原理
相位陣列天線及波束成型網路模擬器，如圖 2.1 所示為 BFN (beam forming
network)波束成型網路結構圖，將 8 個相移器置於一組由 8 個天線單元組成的 線性陣列，經由功率組合器得到信號輸出。圖 2.2 所示為 N 個元件線性陣列示5
意圖，此描述是討論陣列天線為接收狀態下，一個有 N 個元件組成的線性陣列 天線，元件間距皆為等距離 d，表現 n 個方向的總和，並決定了場型的結構，定 義為陣列因子( Array Factor )或陣列場型( Array Pattern )。利用數位信號處理，寫 程式用電腦去控制其波束之掃描角度，如圖 2.3 所示加上 BSC(Beam Steering
6
7
8
圖 2.1 波束成型網路結構圖
圖 2.2 天線因子
9
圖 2.3 電腦控制掃描波束(BSC)
圖 2.4 原始之場型
10
圖 2.5 掃描 30°之場型
圖 2.6 多重路徑示意圖
11
圖 2.7 通道相移器示意圖
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13
14
15 15.2cm，相移器需 BSC (Beam Steering Computer)數位信號處理其波束掃瞄角 度，因電腦控制軟體的部份尚未完成，故未有量測之值。整體組裝後之波束成 型模擬器其體積如電腦主機般之大小如圖 3.9 所示。第二代之雙波束相移器硬 體如圖 3.10 所示，其尺寸大小寬為 5cm，長為 10cm，將其八片雙波束相移器硬 體組裝如圖 3.11 所示。
16
圖 3.1 象限圖
圖 3.2 N 通道相移器 I/Q 示意圖
17 天線掃描圖
-40 -30 -20 -10 0
-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80
Theta
Pattern
圖 3.3 I/Q 掃描時對應天線之掃描圖
表 3.1 開關與衰減器之間的關係表
Fi Fq I 相位角 位置
Q 相位角 位置 -1 -1 一 一 -1 1 二 四 1 1 三 三 1 -1 四 二
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圖 3.4 陣列 I 掃瞄於+20 度時場型圖
表 3.2 I 與 Q 的輸出相位值
I Q
-20° +20°
19
圖 3.5 陣列 I 掃瞄於-20 度時場型圖
表 3.3 I 與 Q 的輸出相位值
I Q
-20° +20°
20
圖 3.6 陣列 I 掃瞄於+30 度時場型圖
表 3.4 I 與 Q 的輸出相位值
I Q
-30° +30°
21
圖 3.7 陣列 I 掃瞄於-30 度時場型圖
表 3.5 I 與 Q 的輸出相位值
I Q
-30° +30°
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圖 3.8 第一代單波束相移器硬體示意圖
圖 3.9 整體組裝後之波束成型模擬器
23
圖 3.10 新型第二代雙波束相移器硬體示意圖
圖 3.11 八片雙波束相移器硬體組裝示意圖
24
第四章 功率分配器設計
本章利用威爾京生功率分配器(Wilkinson Power Divider)可以擴充為 N 路 等分，無損耗性的 T 形接面分波器的缺點，就是所有的端埠的阻抗無法完全匹 配，輸出端埠也不能完全隔離。電阻性的分配器可以使所有端埠的阻抗匹配，
不過，即使這種分波器仍無法達到端埠間的隔離。
4.1 功率分配器的種類
包括分波器與方向耦合器基本性質、三路 T 型介面功率分配器如圖 4.1 所 示、四路威爾京生功率分配器(Wilkinson Power Divider)如圖 4.2 所示、波導 管方向偶合器、直角(90°)分合波器(90°hybrid)如圖 4.3 所示、耦合線方向耦 合器、藍基耦合器、180°分合波器(180°hybrid)等。
4-2 威爾京生功率分配器
我們知道損耗性的三端埠網路是可以同時做到所有端埠的匹配，以及輸出 端埠的完全隔離。威爾京生功率分配器就是具有這總特性的三端埠網路。其特 色是當所有的端埠均匹配時，整個網路是無損耗性的，也就是說這總功率分配 器只消耗反射波的功率，Wilkinson Power Divider 可以設計為任意的功率分配。
本次將設計一比八的威爾京生功率分配器，使用三維電磁模擬軟體 Ansoft HFSS10，模擬頻段為 2GHz~3GHz，中心頻率為 2.4GHz~2.5GHz。本設計開發是以 FR4 玻纖板為介質設計一比八的威爾京生功率分配器如圖 4.4 示意圖之幾何結構 圖，尺寸大小為厚度 1.2mm、長:117mm，寬：98mm。頻率：2.3GHz-2.77GHz。
圖 4.5 為一比八的威爾京生功率分配器之硬體實體圖正面。圖 4.6 為一比八威 爾京生功率分配器硬體實體圖背面，圖 4.7 電路板裝設硬體圖，圖 4.8 一比八
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威爾京生功率分配器硬體組裝圖。
4-3 功率分配器分析之模擬與量測結果比較
為了要驗證分析結果的可信度，所以本次將模擬與量測作一比較。使用 HFSS 模擬軟體模擬 S11反射損失如圖 4.9(a)，量測儀器使用 Anritsu 37369C 網路分 析儀實際量測，圖 4.9(b)量測 S11 輸入反射損失圖，4.9(c)紅圈標示之輸入端 S11之反射損失，圖中可發現頻率於 2GHz~3GHz 皆為-10dB 以下均可使用為一比 八威爾京生功率分配器量測 S11輸入端之硬體圖。圖 4.10(a)為模擬輸入埠至各 輸出埠之相位變化圖，圖 4.10(b)為一比八威爾京生功率分配器的量測相位變化 圖，4.10(c)為量測其輸入端至輸出端相位變化硬體圖。其 8 個輸出埠之相位非 常接近，其模擬輸入埠至各輸出埠之反射損失圖如圖 4.11(a)。圖 4.11(b)為量 測輸入埠至各輸出埠之反射損失圖，其量測反射損失硬體圖如 4.11(c)所示，表 示其設計出之線徑長度一致，設計良好。量測傳輸損失，依理論推算其理想值 為 9dB，圖中可發現因受設計時之影響量測實際值為 10dB 以下。
量測兩埠與其他埠之間之隔離度，圖 4.12(a)為輸出埠 8 及其他各輸出埠之
隔離度模擬圖、圖 4.12(b)為輸出埠 8 及其他各輸出埠之隔離度量測圖，其輸出 埠 S87在 2.5GHz 時其隔離度為-31.124dB，輸出埠 8 與其他埠 6、5、4、3、2、1 隔離度更為良好，圖 4.12(c)為輸出埠 8 及其他各輸出埠之硬體圖。26
圖 4.1 三路 T 型介面功率分配器
圖 4.2 四路威爾京生功率分配器
圖 4.3 直角(90°)分合波器
27
圖 4.4 一比八威爾京生功率分配器幾何結構圖
圖 4.5 一比八威爾京生功率分配器硬體實體圖正面
28
圖 4.6 一比八威爾京生功率分配器硬體實體圖背面
圖 4.7 電路板裝設硬體圖
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圖 4.8 一比八威爾京生功率分配器硬體組裝圖
圖4.9(a)模擬S
11輸入反射損失圖
30 -30
-25 -20 -15 -10 -5
2 2.25 2.5 2.75 3
Freq[GHz]
dB
圖4.9(b)量測S
11輸入反射損失圖
圖4.9(c)量測S
11輸入端硬體圖
1 2 3 4 5 6 7 8
31
圖4.10(a)模擬輸入埠至各輸出埠之相位變化圖
-200 -100 0 100 200
1.8 2.1 2.4 2.7 3Freq[GHz]
degree
∠S11 ∠S12 ∠S13 ∠S14
∠S15 ∠S16 ∠S17 ∠S18
圖4.10(b)量測輸入埠至各輸出埠之相位變化圖
32
圖 4.10(c)量測相位變化硬體圖
圖 4.11(a)模擬輸入埠至各輸出埠之反射損失圖
1 2 3 4 5 6 7 8
33 -20
-15 -10 -5 0
2 2.2 2.4 2.6 2.8 3 Freq[GHz]
dB S11L S12L S13L S14L
S15L S16L S17L S18L
圖 4.11(b)量測輸入埠至各輸出埠之反射損失圖
圖 4.11(c) 量測反射損失硬體圖
1 2 3 4 5 6 7 8
34
圖 4.12(a) 模擬八輸出埠之隔離度
-80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10
2 2.2 2.4 2.6 2.8 3Freq[GHz]
dB
S87 S86 S85 S84 S83 S82 S81
圖 4.12(b) 量測八輸出埠之隔離度
35
圖 4.12(c) 八輸出埠之隔離度量測硬體圖
1 2 3 4 5 6 7 8
36
第五章 天線單元設計與量測
本設計所製作之天線，適用於 WiMAX 之工作頻率(2.4 GHz 到 2.7 GHz)，應 用於天線陣列波束成型模擬器( Phase Array Antenna Beam Forming Network Simulator )。一天線單元連接至一組相移器，一波束陣列天線掃描系統含八組 相移器共八個天線單元，連接至(BFN)。也預計配合新型相移器，兩組輸出 I 與 Q 陣列，設計出一組相移器可連接兩單元輸出天線，來完成實現產生兩波束掃描 之波束成型陣列天線。以便使同一組波束成型網路(功率分配器及多組相移器組 成)之兩相列天線，可在同時間產生對稱之兩掃描角度。
5.1 領結天線設計
HFSS 電磁模擬軟體是使用數值方法 3D Finite-Element Method
(FEM)先建構立體結構圖，設計領結式天線，採用 FR4 玻璃纖維板製作，版厚 0.8mm，
本章所提出之領結天線設計
如圖 5.1 天線正面幾何結構圖、天線尺寸 表所示、及如圖 5.2 天線背面幾何結構圖、天線尺寸表所示。天線模擬反射損 失分析如圖 5.3 所示，當頻率在 2.37GHz~2.77GHz 為反射損失的標準(
-10dB)以 下，符合本頻段之設計。圖 5.4 模擬 2.4GHz 我們可以看到 E-Plane 是個 8 字形，而圖 5.5 模擬 2.4GHz 時之 H-Plane 則是個圓形。
本天線適用於 WiMAX 之工作頻率(2.4 GHz 到 2.8 GHz)天線實體，
天線結構 是利用印刷電路板
如圖 5.6、天線實體、正反兩面，頻寬約為 400MHz (2.4~2.8 GHz)、尺寸大小 5(cm) × 3(cm)、FR4 板材，厚度為 0.8 mm、介電係數為 4.4、板材損耗係數:0.027
37
edge)[10]
、電阻隔板(R-card)[11]
及微波吸收體(Microwave absorber)
等方式，而不 論何種方法皆不盡合乎經濟效應，因此本設計亦對此方面有所著墨。頻域 Satimo 天線量測系統-雙極化系統簡介:
本套設備設置於本校有庠九樓無線通訊實驗室，此設備是法國波羅密教授 所研發天線量測系統，可量測圓柱型近場及球型近場由兩探針陣列穿插，其十 五根天線量測低頻，十四根天線量測高頻，天線陣列使用雙極化的方式，可同 時量測 E-plane 及 H-plane 減少架設次數及量測之時間。頻率從 0.8GHz~18GHz 由雙極化陣列所組成，一組為 0.8GHz~6GHz 雙極化、另一組為 6GHz~18GHz 雙極 化，其間隔為 22.5°，此間隔適合小型天線測試，如圖 5.7 SATIMO 之示意圖。
此系統可量測球型近場待測物尺寸大小約 45cm，及圓柱型近場可量測天線長度
38
為 2.5m~2.6m 左右，使用機械式探針 180°旋轉，待測物 360°旋轉其速度快，但 頻率受到限制。如圖 5.8 CONIC CUT 示意圖及圖 5.9 為 CONIC CUT 實體架設圖 所示只要更換探針其頻率不受限，但速度較慢。
5.3 使用頻域及時域量測天線場型之探討
設計出之天線分別使用時域及頻域設備量測，使用 Time domain 架設如圖 5.10 所示，量測 2.4~2.7GHz E-plane 呈 8 字型如圖 5.11 所示。架設圖如圖 5.12 所示，量測 2.4~2.7GHz H-plane 呈現圓形如圖 5.13 所示。使用 Satimo 量測 之架設圖如 5.14 所示，量測 2.3GHz~2.8GHz E-plane 如圖 5.15 所示，量測 2.4~2.8GHz H-plane 呈現圓形如圖 5.16 所示。本報告設計一支適用於 WiMAX 之 工作頻率(2.4 GHz 到 2.7 GHz)之天線，其量測結果如圖 5.17。
配合新型相移器，有兩組輸出 I 與 Q，設計出一組相移器可連接兩根輸出天 線，來完成實現兩組陣列天線。使同一組波束成型網路(功率分配器及多組相移 器組成)之兩相列天線，可在同時間產生對稱之兩掃描角度。具有雙波束功能，
可縮短掃描時間及能量使用。
39
圖 5.1 天線正面幾何結構圖
圖 5.2 天線背面幾何結構圖
40
圖 5.3、反射損失模擬圖
圖 5.4、2.4GHz-E Plane
41
圖 5.5、2.4GHz-H Plane
圖 5.6、天線實體、正反兩面
42
圖 5.7 SATIMO 量測系統示意圖
圖 5.8 CONIC CUT 示意圖
43
圖5.9 Conical Cut Method實體圖
圖 5.10 天線架設圖
44
圖 5.11 量測 2.4GHz~2.7GHz E-plane
圖 5.12 天線架設圖
45
圖 5.13 量測 2.4GHz~2.7GHz H-plane
圖 5.14 天線架設圖
46
圖 5.15 量測 2.3GHz~2.7GHz E-plane
圖 5.16 量測 2.4GHz~2.7GHz H-plane
47
圖 5.17 反射損失
48 Antenna Beam Forming Network Simulator )，可產生天線陣列之波束場型或 測試已製作完成之天線陣列系統，內部元件大略可分為功率組合器、相移器、
49
無線區域網路IEEE802.11b/g相結合做最後EMC傳導輻射等干擾進行驗證，利用
EMC
電磁相容實驗室，輻射發射(Radiated Emission)、傳導發射(Conducted Emission)、靜電放電(Electrostatic Discharge, ESD)驗證此設計之電磁撥能 量是否符合FCC法規等class A及class B 等商業及家用等級。以期能對現有一 般傳統兩根天線之無線AP做最佳化的設計與改善其通訊品質。50
參考文獻
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APS/URSI, Volume: 4, May 1990, pp. 232-235.
51
[10] I.J. Gupta, K.P. Erickson, and W.D. Burnside, “A method to design blended rolled edges for compact range reflectors”, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Volume: 38, Issue 6, June 1990, pp.853-861.
[11] M.S.A. Mahmoud, T.H Lee, and W.D. Burnside, “Enhanced compact
range reflector concept using an R-card fence: two-dimensional case”, IEEE
Trans. on Antenna and Propagation, Volume: 49, Issue 3, March 2001,
pp.419-428.
52
附錄 已發表之研討會論文、及專利
論文研討會共 5 篇、專利 1 件(申請中)，如下列所示:
研討會論文:
[1] 彭嘉賢、張道治 ＂天線陣列波束成型模擬器分析與設計＂2008 海峽兩岸 三地無線電科技研討會 pp.81~ pp.85 ,2008/8/27~2008/8/28
[2] Dau-Chyrh Chang and Chia-Hsien Peng,＂ Dual PAAs Using the Same Phase Shifters of BFN＂ 2008 International Symposium on Antennas and Propagation, 27~30 October 2008,Taipei,Taiwan,pp.47
[3] Dau-Chyrh Chang and Chia-Hsien Peng ＂Symmetry Antenna Patterns of PAAs by Sharing the Same Phase Shifters of BFN＂APMC 2008,16-19 December 2008,Hong Kong,pp
[4] 張道治1 、彭嘉賢2、陳晟瑋3“2.4GHx~2.8GHz天線陣列雙波束成型模擬器 分析與設計＂萬能科技大學第三屆電資科技應用與發展學術研討會
2008,12/19
[5] 張道治1 、陳晟瑋2、彭嘉賢3＂圓極化天線軸比量測研究＂
萬能科技大學第三屆電資科技應用與發展學術研討會 2008,12/19
[6] Selected papers from APMC2008 (Hong Kong) for consideration to be included in a special issue of IET Microwaves, Antennas & Propagation (IET MAP).已修改投special issue of IET
專利
:
雙波束成型網路模擬器(申請中) 委辦單位:字惠國際專利商標事務所
53
54
55
[1] Bruno Pattan,“Robust Modulation Methods &
Smart Antennas in Wireless Communication＂, New Jersey, Prentice Hall, Inc., 2000.
[2] Merill I. Skolnik, ＂Introduction to Radar Systems＂, second edition, McGraw-Hill, Auckland, 1981.
[3] R. C. Johnson, et., ＂Antenna Engineering Handbook＂, third edition, McGraw-Hill, New York, 1993.
[4] Hubregt J. Visser,“Array and Phase Array Antenna＂, England, John Wiley & Sons Ltd, 2005.
[5] AN EXPERIMENTAL REALIZATION OF A FULLY ADAPTIVE SMART ANTENNA
56
圖一 傳統相移器 圖二 BFN 的示意圖
圖三為 N 個元件線性陣列示意圖
圖四 新設計的通道相移器示意圖
圖四 新設計的通道相移器示意圖