• 沒有找到結果。

Simulation and Measurement Results

Chapter 4:  Dual‐band Patch   Antenna

4.2  Simulation and Measurement Results

 

Figure 4‐3 Patch antenna fed by L‐shaped probe with four slots. 

4.2 Simulation and Measurement Results 

      The simulation and measurement results are shown in Fig. 4‐4. The performance  of low S21 means coupling effect between two ports can be observed in both of the  desired  frequency  bands.  The  simulated  E‐plane  radiation  pattern  at  2.45GHz  and  3.5GHz are shown in Fig. 4‐5. Because the magnitude of cross‐polarization pattern is  lower ‐10 dB, it can be a good antenna candidate of linear polarization. 

Fig.  4‐6  shows  the  measured  radiation  patterns.  The  low  cross  polarization  represents  that  the  additional  two  X‐direction  slots  only  affect  the  X‐direction  current slightly. The measured bandwidth and maximum gain are 2.44 % and 9.23 dBi  at 2.45GHz, respectively. On the other hand, the measured bandwidth and maximum 

FR4 Substrate FR4 Substrate

Air

Feeding Line

Ground Rectangular Patch

Ground Feeding Line

Rectangular Patch L-shaped probe

FR4 Substrate FR4 Substrate

(a) Side view of L-shaped probe fed patch antenna

(b) Top view of L-shaped probe fed patch antenna with four slots

Slot

Slot

Slot

Slot

X Y Pw SL

Lp AH

AG

Sw SG

gain haped  prob the patch m

The simulat

Bi at 3.5GH ted results.

bes  and  the may not be f

‐shaped  pro metric mann

(c) Th

(d) Th

Figure 4‐4

he simulatio

he measure

 The scatter

on result of 

ed result of t

ring parame two ortho

the dual‐ba

the dual‐ba

eters of the ogonal L‐sh

   

and antenna

and antenna

 patch ante haped probe

a in WiMAX

a in WiMAX

enna with fo es. 

  X band. 

  X band. 

our slots fedd by 

-20 -15 -10 -5 0 5 10

(a) The simulated E‐plane radiation pattern at 2.45GHz. 

 

(b) The simulated E‐plane radiation pattern at 3.5GHz. 

Figure 4‐5 The simulated patterns of the patch antenna with four slots fed by two 

Linear Polarization E‐plane

-Co‐    -Cross

Linear Polarization E‐plane

-Co‐    -Cross

-20 -15 -10 -5 0 5 10

(a) The measured E‐plane radiation pattern at 2.45GHz. 

 

(b) The measured E‐plane radiation pattern at 3.5GHz. 

Figure 4‐6 The measured patterns of the patch antenna with four slots fed by two  orthogonal L‐shaped probes. 

Linear Polarization E‐plane

-Co‐    -Cross

Linear Polarization E‐plane

-Co‐    -Cross

Chapter 5    The Dual‐band Reconfigurable      Quadri‐Polarization Diversity Antenna 

 

We further combine the three parts (dual‐band BLC, wideband switching circuit  and dual‐band patch antenna) which we have designed in the previous chapters and  present  its  performances.  The  system  block  is  shown  in  Fig.  5‐1.  As  the  wideband  switching  circuit  1  and  switching  circuit  2  operate  at  “Through”  and  “Termination” 

state respectively and the power is incident from port 1, the antenna can generate an  X‐directional  linear  polarization  sense.  As  the  wideband  switching  circuit  1  and  switching  circuit  2  both  operate  at “Through”  state  and  the  power  is  incident  from  port  1,  the  antenna  can  generate  a  left‐hand  circular  polarization  sense  in  WiFi  operation.  In  the  same  manner  where  the  power  is  incidence  from  port4,  the  antenna can generate a right‐hand circular polarization sense in WiFi operation. The  operating  modes  of  the  proposed  antenna  are shown  in  Table  5‐1.  From  Table  5‐1,  we find as the wideband switching circuits change their states, the antenna structure  can provide quadri‐polarization in both operating bands.  

5.1 Simulation and Measurement Results 

The top view of the whole simulated antenna structure in HFSS is shown in Fig. 

5‐2.  The  simulated  scattering  parameters  in  Case  1  (port  1  excitation)  and  Case  3  (port 2 excitation) state are shown in Fig. 5‐3, and simulated scattering parameters of  Case 2 (port 1 excitation) and Case 4 (port 4 excitation) state are shown in Fig. 5‐4. 

From the simulated scattering parameters we know the whole antenna structure is 

is  2.7dBi  in  WiFi  and  2.2dBi  in  WiMAX  operation,  respectively.  From  the  simulation  results,  since  the  cross‐polarization  pattern  is  very  small  compared  to  the  co‐polarization  pattern,  the  antenna  is  convinced  to  have  good  operation  in  either  linear polarization or circular polarization. 

     

   

Figure 5‐1 The system block of the dual‐band antenna structure. 

 

 

Table 5‐1 STATUTES OF THE DUAL‐BAND ANTENNA STRUCTURE. 

Input Switching circuit (1) Switching circuit (2) Polarization sense

Case 1  Port 1 Through Termination X-direction

Linear Polarization

Case 2  Port 1 Through Through LHCP (WiFi operation) 

RHCP (WiAX operation) 

Case 3  Port 4 Termination Through Y-direction

Linear Polarization

Case 4  Port 4 Through Through RHCP (WiFi operation) 

LHCP (WiAX operation)

 

The  photograph  of  the  antenna  structure  is  shown  in  Fig.  5‐6.  The  measured  performances  of  scattering  parameters  are  shown  in  Fig.  5‐7  and  Fig.  5‐8,  and  the  bandwidth is 5.7% and 6% in WiFi and WiMAX operation respectively.The measured  radiation patterns are shown in Fig. 5‐9 to Fig.  5‐13.In Fig. 5‐9 and Fig. 5‐10, since  the cross‐polarization pattern is very small compared to the co‐polarization pattern,  the dual‐band antenna is good for operating in linear polarization.In Fig. 5‐11a, the  maximum gain is 2.5dBi and the 2‐dB axial‐ratio beamwidth is 86°  at 2.45GHz in Case  2.  In  Fig.  5‐11b,  we  can  observe  the  maximum  gain  is  about  1.9dBi  and  the  2‐dB  axial‐ratio beamwidth is 78°  at 3.5GHz in Case 2. The measured performances of the  dual‐band  structure  are  listed  in  Table  5‐2.  In  Table5‐2,  the  quadri‐polarization  beamwidth  means  the  axial‐ratio  of  LHCP  and  RHCP  are  lower  than  2dB  and  the  magnitude of cross polarization of LP in Case 1 and Case 3 are lower than ‐10dB in  this beamwidth in each operating band. 

The  measured  maximum  gain  of  Case  2  is  little  larger  than  the  measured 

by the dual‐band patch antenna. Therefore, we have to get the scattering parameters  of  the  dual‐band  patch  antenna  and  dual‐band  BLC  individually.  In  Section  3‐3,  we  have  got  the  simulated  and  measured  scattering  parameters  of  S21 and  S31,  which  can be considered A1 and Arespectively, the power incident to two L‐shaped probes  of  the  dual‐band  patch  antenna.  In  Section  4‐2,  we  had  simulated  and  measured  scattering parameters of the dual‐band patch antenna, which can be considered a set  actually  radiated  by  the  dual‐band  patch  antenna.  We  first  discuss  the  simulated  results of  PANTi. In simulated results we get the parameters of A1, A2 and SANT and  substitute  them  into  Equation  (5‐2).  We  can  therefore  obtain  b1  and  b2, and  the  normalized power (PANTi) actually radiated by the dual‐band patch antenna is 0.686  and 0.685 in Case 2 and Case 4 state respectively in 2.45GHz. In the same manner,  we  can  get  the  normalized  power  (PANTi)  actually  radiated  by  the  dual‐band  patch  antenna is 0.554 and 0.548 in Case 2 and Case 4 state respectively in 3.5GHz. From  the computation results in both frequency bands, because 1) the antenna structure is  symmetric, 2) the lumped elements in HFSS are lossless and 3) the values of lumped  element  don’t  vary  with  frequency,  the  power  radiated  by  the  dual‐band  patch  antenna is almost equal in both of the two circular polarization states.   

Different from the simulated ones, the measured A1, A2 and SANT can be gotten  from  the  previous  chapter  3  and  chapter  4  and  we  can  use  the  same  analysis  sequence  to  find  the  solutions  of  PANTi.  The  normalized  power  (PANTi)  actually  radiated  by  the  dual‐band  patch  antenna  is  0.508  and  0.403  in  Case  2  and  Case  4  state respectively in 2.45GHz, and the normalized power (PANTi) actually radiated by  the  dual‐band  patch  antenna  is  0.462  and  0.448  in  Case  2  and  Case  4  state  respectively  in  3.5GHz.  Obviously,  the  measured  result  PANTi  is  lower  than  the  simulated result of  PANTi, and it’s caused by the practical lumped elements provide  extra power loss. Moreover, the measured result of  PANTiin Case 4 is lower than the  measured  result  of  PANTiin  Case  2.  The  calculated  difference  between  Case  2  and  Case 4 is 0.06 in 2.45GHz and 0.08 in 3.5GHz, so the measured maximum gain in Fig. 

5‐11  is  slightly  larger  than  the  measured  maximum  gain  in  Fig.  5‐12  by  0.22dBi  in  2.45GHz and 0.24dBi in 3.5GHz. The main reason of the imbalance may be that A1  and A2 of Case 2 is a little different from those of Case 4 at both frequency bands, so  the actual radiated power of Case 2 and Case 4 will not be the same and result in the  asymmetric pattern gain at both frequency bands. 

Figure 5‐33 The simul

(a)

(b) W

lated scatte

WiFi opera

WiMAX ope

ering param ation. 

ration. 

eters in Casse 1 and Cas    

 

se 3 state. 

Figure 5‐44 The simul

(a)

(b) W

lated scatte

WiFi opera

WiMAX ope

ering param ation. 

ration. 

eters in Casse 2 and Cas  

 

se 4 state. 

-20 -15 -10 -5 0 5

Linear Polarization E‐plane

-Co‐    -Cross

Linear Polarization E‐plane

-Co‐    -Cross

 

   

   

(a)      (b) 

Figure 5‐6 The photographs of the dual‐band quadri‐polarization diversity patch  antenna. (a) Front side of the structure. (b) Back side of the structure. 

   

Figgure 5‐7 Thee measured

(a)

(b) W

d scattering   

WiFi opera

WiMAX ope   parameters and Case 3

ation. 

ration. 

s of the ant . 

enna struct  

 

ture for Case 1 

(a)

(b) W  

WiFi opera

WiMAX ope  

ation. 

ration. 

 

 

-20 -15 -10 -5 0 5 45

-135

90

-90 135

-45

180 0

-20 -15 -10 -5 0 5 45

-135

90

-90 135

-45

180 0

               

(a) The measured E‐plane radiation pattern at 2.45GHz. 

                 

(b) The measured E‐plane radiation pattern at 3.5GHz. 

Figure 5‐9 The measured E‐plane radiation patterns in Case 1 state. 

Linear Polarization E‐plane

-Co‐    -Cross

Linear Polarization E‐plane

-Co‐    -Cross

-20 -15 -10 -5 0 5

(a) The measured E‐plane radiation pattern at 2.45GHz. 

 

Linear Polarization E‐plane

-Co‐    -Cross

Linear Polarization E‐plane

-Co‐    -Cross

-20 -15 -10 -5 0 5

(a) Measured circular polarization radiation pattern at 2.45GHz. 

 

Circular Polarization

Gain

Circular Polarization

Gain

-20 -15 -10 -5 0 5

(a) Measured circular polarization radiation pattern at 2.45GHz. 

 

(b) Measured circular polarization radiation pattern at 3.5GHz. 

Circular Polarization

Gain

Circular Polarization

Gain

  (a) 2.45GHz. 

  (b) 3.5GHz. 

Figure 5‐13 The measured axial‐ratio of the proposed antenna.   

 

Table 5‐2 THE MEASURED PERFORMANCES OF THE DUAL‐BAND ANTENNA  STRUCTURE. 

  Frequency  Polarization 

Sense 

Axial Ratio < 2  Beamwidth (Deg)

Quadri‐Polarization  Beamwidth (Deg)

Maxinum Gain  (dBi) 

2.45GHz 

RHCP (Case 4)  65

65 

2.18

LHCP (Case 2)  90 2.4

LP (Case 1)  XXX 2.3

LP (Case 3)  XXX 2

3.5GHz 

RHCP (Case 2)  95

70 

1.8

LHCP (Case 4)  80 1.56

LP (Case 1)  XXX 1.76

LP (Case 3)  XXX 1.63

     

                 

Chapter 6    Conclusion 

      We have provided another even‐odd mode method to design the dual‐band BLC  and combined it with the wideband switching circuits successfully in Chapter 3. With  the wideband switching circuit, we can easily control the power to either go through  the  circuit  or  be  absorbed  by  50‐Ohm  termination  from  2  GHz  to  6  GHz.  The  dual‐band  BLC  provides  two  equal  power  signals  with  90°  phase  difference  in  two  operating bands. In Chapter 4, a dual‐band patch antenna with low cross polarization  and  coupling  has  been  completely  fabricated.  Because  of  the  symmetry  of  the  antenna  structure  we  proposed,  two  L‐shaped  probes  can  be  easily  integrated  in  a  single patch, and the four additional slots are etched close to each radiation side to  produce  another  radiation  frequency.  Finally, we  combine  the  above  three  parts  to  fabricate  a  single  patch  antenna  structure  with  dual‐band  reconfigurable  quadri‐polarization  diversity.  The  measured  results  in  Chapter  5  have  shown  our  proposed dual‐band quadric‐polarization diversity antenna meets our expectation. 

      WiFi and WiMAX systems are becoming more popular in wireless communication  applications.  And  one  antenna  structure  operating  in  these  two  bands  is  becoming  more important. Our antenna design can be one of the best solutions for enhancing  the communication quality. The idea we present in this thesis is good but there is still  room  for  improvement  to  reach  better  performance.  First,  we  may  design  a  better  switching  circuit  to  increase  the  antenna  gain  and  reduce  the  lump  elements. 

Moreover,  the  design  of  the  dual‐band  quadri‐polarization  diversity  antenna  is  convinced  a  rising  topic  and  we  provide  one  as  a  milestone  for  this  demand.  We  believe  the  design  of  dual‐band  quadri‐polarization  diversity  antenna  will  greatly  bring contribution to the communication technology. 

 

References   

[1]  吳逸凡,「新型可塑性四極化天線設計」,國立交通大學,碩士論文,民國94

年。 

[2]  吳俊賢,「可塑性四極化掃描天線之設計」,國立交通大學,碩士論文,民國

95年。 

[3] W. L. Stutzman and G. A.  Thiele, Antenna Theory and Design, 2nd ed. New York: 

Wiley, p. 212‐215, 1998. 

[4] C. L. Mak, K. M. Luk, K. F. Lee and Y. L. Chow, “Experimental Study of a Microstrip  Patch Antenna with an L‐shaped Probe”, IEEE Trans. Antenna & Propagation, vol. 

48, pp.777‐783, May 2000. 

[5] I‐Hsiang  Lin,  Marc  DeVincentis,  Christophe  Caloz  and  Tatsuo  Itoh,  “Arbitrary  Dual‐Band Components Using Composite Right/Left ‐Handed Transmission Lines”,  IEEE Trans. Microwave Theory and Techniques, vol. 52, pp. 1142‐1149, Apr. 2004. 

[6]

 

K.  R.  Carver  and  J.  W.  Mink,  “Microstrip  Antenna  Technology”,  IEEE  Trans. 

Antenna & Propagation, vol. AP‐29, pp. 2‐24, Jan. 1981. 

[7]  D.  H.  Schaubert,  “Microstrip  Antenna”,  Electromagnetics,  vol.  12,  pp.  381‐401,  July‐ December 1992. 

[8]  R.  E.  Munson,  “Conformal  Microstrip  Antennas  and  Microstrip  Phased  Arrays”,  IEEE Trans. Antennas & Propagation, vol. AP‐22, pp.74‐78, Jan. 1974. 

[9]  D.  R.  Jackson  and  N.  G.  Alexopoulos,  “Simple  Approximate  Formulas  for  Input  Resistance,  Bandwidth,  and  Efficiency  of  a  Resonant  Rectangular  Patch”,  IEEE  Trans. Antennas & Propagation, vol. 3, pp.407‐410, Mar. 1991. 

[10]  R.  Q.  Lee,  K.  F.  Lee  and  J.  Bobinchak,  “Characteristics  of  a  two‐layer 

[11] E. Chang, S. A. Long and W. F. Richards, “Experimental investigation of electrically  thick rectangular microstrip antennas”, IEEE Trans. Antennas & Propagation, vol. 

AP‐43, pp. 767–772, Jun. 1986. 

[12] T. M. Au, K. F. Tong and K. M. Luk, “Characteristics of aperture‐coupled co‐planar  microstrip subarrays”, Inst. Elect. Eng. Proc. Microwave Antennas Propagat., vol. 

144, pp. 137–140, Apr. 1997. 

[13] K.  M.  Luk,  C.  L.  Mak,  Y.  L.  Chow  and  K.  F.  Lee,  “Broadband  microstrip  patch  antenna”, Electron. Lett., vol. 34, pp. 1442–1443, Jul. 1998. 

[14]  H.  Nakano,  M.  Yamazaki  and  J.  Yamauchi,  “Electromagnetically  coupled  curl  antenna”, Electron. Lett., vol. 33, pp. 1003–1004, Jun. 1997. 

[15]  H.  Nakano,  M.  Yamazaki  and  J.  Yamauchi,  “Electromagnetically  coupled  curl  antenna”, Electron. Lett., vol. 33, pp. 1003–1004, Jun. 1997. 

[16]  David  M.  Pozar  and  Sean  M.  Duffy,  “A  Dual‐Band  Circular  Polarized  Aperture‐Coupled  Stacked  Microstrip  Antenna  for  Global  Positioning  Satellite”,  IEEE Trans. Antennas & Propagation, vol. 45, pp. 1618‐1625, Nov. 1997. 

[17]  Stephen  D.  Targonski  and  David  M.  Pozar,  “Design  of  Wideband  Circular  Polarized  Aperture‐Coupled  Microstrip  Antennas”,  IEEE  Trans.  Antennas  & 

Propagation, vol. 41, pp. 214‐219, Feb. 1993. 

[18]  S.  Maci,  G.  B.  Gentili  and  G.  Avitabile,  “Single‐layer  dual  frequency  patch  antenna”, Electron. Lett., vol. 29, pp. 1441‐1443, Aug. 1993. 

相關文件