第一章 緒論
1.3 論文架構
第一章 緒 論
概要介紹科技背景、研究動機和目標。
第二章 新型雙波束掃描方式
從陣列天線基本原理開始介紹，本章第二部分談到一般的傳統單波束掃描 原理，使用射頻數位步階衰減器製作天線陣列波束成型模擬器(BFN)，替代 Bulter 矩陣陣列[1]之相位陣列量測系統。本章第三部份將介紹新型雙波束之掃 描推導模擬，在傳輸訊號時可以增加資料傳輸量，且可使用同一組相移器，同 時間產生兩波束，大大減少其製作成本。
第三章 產生雙波束之相移器設計說明
探討相移器產生之波束，波束成型網路的技術方法可應用於行動基地台的 新技術，改善通訊品質。一般傳統波束成型網路在同一時間，僅能產生一個波
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束掃描功能。本設計可產生雙波束，可縮短掃描時間及增加資料量。本設計可 運用於無線區域網路上，因一般無線區域網路發射及接收信號時，僅產生一個 較胖之天線場型，會受多重路徑之影響而降低信號之品質。但本設計可同時間 產生兩個較窄之天線場型，因此受多重路徑的影響較小，且可增加接收及發射 信號之資料量，使通訊品質提昇。
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。
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 )。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。
第六章 結論與未來工作
於本論文最後提出整體說明，簡明回顧本論文所提出之對稱波束之相列天 線研究。
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第二章 新型雙波束掃描方式
本章進行天線陣列波束成型模擬分析，本章第一部分從陣列天線基本原理 開始介紹，本章第二部分談到一般的傳統單波束掃描原理，使用射頻數位步階 衰減器製作天線陣列波束成型模擬器(BFN)，替代 Bulter 矩陣陣列[1]之相位陣 列量測系統。本章第三部份將介紹新型雙波束之掃描推導模擬，在傳輸訊號時 可以增加資料傳輸量，且可使用同一組相移器，同時間產生兩波束，大大減少 其製作成本。
2.1 陣列天線基本原理
陣列天線具有可特定方向接收的特性，可以固定接收某一特定方向的訊 號，而將不屬於這特定方向的訊號過濾掉，因為它可為某種頻率做設計給予收 集信號，適用在量測或同頻率的天線，陣列天線常應用於 802.11b 的無線區域 網。
當需要應用到較高增益或某方向性輻射型式時，就必須增加天線的數量，
而增加天線數量的同時也增加了總體積的大小。在空間中已知從陣列天線所輻 射出來的總電場強度相當等於個別的天線單元所發出輻射電場的向量和。換句 話說，陣列天線在遠場的總電場強度是由重疊定理來決定的。假設每單一元件 天線振幅大小相同，且等間距的情況下，探討線性陣列天線理論特性。
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
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圖 2.1 波束成型網路結構圖
圖 2.2 天線因子
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圖 2.3 電腦控制掃描波束(BSC)
圖 2.4 原始之場型
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圖 2.5 掃描 30°之場型
圖 2.6 多重路徑示意圖
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圖 2.7 通道相移器示意圖
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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。
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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°
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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°
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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°
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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。37