對稱波束之相列天線研究

亞東技術學院

資訊與通訊工程研究所

碩士論文

對稱波束之相列天線研究

Study of symmetrical Beam Patterns of Phase Array Antenna

研 究 生：彭嘉賢

指導教授：張道治 博士

I

致 謝

本論文得以順利完成，首先要感謝我的指導教授張道治博士，以 及各口試委員的蒞臨指導。在兩年的研究生涯當中，老師不僅在我的 知識領域上傾囊相授，尤其在日常生活，更是給予我非常多的幫助與 關心，讓我可以在這兩年中，專心致力於學業上的衝刺，感謝老師們 在平時及口試給予許多寶貴的意見與指正，使學生收穫匪淺受益良 多。還有老師的處世態度與研究精神，更是讓我深深感到佩服。若非 老師對我的指導與幫助，本論文不可能如此順利地完成。在老師的教 導之下使學生在天線領域方面的知識收獲良多，尤其在實驗研究遇到 瓶頸之餘，老師總是給予我適時的建議及鼓勵，使學生有研究的衝勁 及正面的態度去學習研究，也要感謝口試委員劉智群老師、彭松村老 師、許博文老師及胡正南老師，由於老師們的建議與指教，使學生的 論文可以更加完善。 再者必須感謝在校期間資通訊技術研發中心助理詹千慧、實驗室 學長們台大博士班廖兆祥、及元智大學博士班曾炳豪的指導，同學們 的相互學習研究與幫忙，才能順利完成實驗及研究，以及學弟陳晟 瑋、顏紹翔、裴笛翰、及陳俊傑的協助。有了他們的陪伴，才使得原 本枯燥乏味的日子，充滿無限歡樂與回憶，這份情誼在我心中將永遠 長存。 最後將此論文獻給我最摯愛的父母，如果不是他們對我的默默付 出，讓我不需要負擔家裡的生計，今日也不可能完成我所有的學業。 這份恩情實在無以回報，僅以此論文略表寸心。

II

中文摘要

習知無線區域網路之存取點(Access Point AP)的天線，是採用

空間分集(SDMA)佈置，由於天線場型較寬，受到多重路徑的影響，造 成傳輸率降低。有鑑於此，採用窄波束場型之天線，以組成相列天線 系統，俾供無線區域網路系統使用。 本論文利用新型相移器，設計相列天線所需的波束成型器，將可 產生對稱之雙波束天線場型，逕自利用這雙波束場型之特性於無線區 域網路系統，將可在同一時間下使資料之傳輸量加倍。在實際應用上 將 設 計 及 量 測 雙 波 束 相 列 天 線 系 統 之 特 性 ， 與 無 線 區 域 網 路 IEEE802.11 b/g系統相結合，以驗證資料之傳輸量。 關鍵字: 多波束天線系統、調適性相列天線、波束成型器、相移器、 波束控制器、近場量測系統。

III

Abstract

Conventional Access Point of WLAN (Wireless Local Access Network) uses the antenna with SDMA arrangement. Since the omni-directional antenna pattern of the SDMA is usually quite broad, transmission rate of WLAN will decrease due to the multipath effect. In order to solve this problem, angular diversity antenna for WLAN had been developed. The antenna half power beam width is approximately 90 degrees, while minor multipath effects still exists. To overcome such an effect, narrower antenna beam width with scanning capability of phased array antenna system has been proposed .

For this program, the advanced measurement equipments at Communication Research Center of Oriental Institute of Technology will be used to the research and development of phased array antenna system. The prototype of phase shifter had been developed for the BFN (beam forming network) of phased array system. The summation of phase for the two outputs is equal to -270 degrees. By using this property, if this type of phase shifter is used at BFN of phased array system, a pair- symmetry scanning antenna patterns of phased array system will be generated. If this kind of phased array system is used for IEEE802.11b/g WLAN, so that the data transmission rate will is doubled. This proposal will research and develop the dual beams phased array system and apply it to the IEEE802.11b/g WLAN.

Key Words: multiple beams antenna system, adaptive antenna system, beam forming

VI

目錄

封面內頁 博碩士論文授權書 論文指導教授薦書 論文口試委員審定書 致謝 ...I 中文摘要 ... II 英文摘要 ... III 目錄 ...IV 表目錄 ... VIII 圖目錄 ...IX 第一章 緒論 ... 1 1.1 研究背景與動機... 1 1.2 相列天線之簡介... 1 1.3 論文架構 ... 1 第二章 新型雙波束掃描相列天線... 4 2.1 陣列天線基本原理... 4 2.2 單波束掃描原理... 4 2.3 雙波束掃瞄原理... 7 2.4 討論 ... 7

VII 第三章 產生雙波束之相移器之設計... 12 3.1 產生雙波束相移器原理... 12 3.2 多波束天線陣列應用... 14 3.3 硬體製作 ... 15 第四章 功率分配器設計... 24 4.1 功率分配器的種類... 24 4.2 威爾京生功率分配器... 24 4.3 功率分配器分析之模擬與量測結果比較... 25 第五章 天線單元設計與量測... 36 5.1 領結天線設計 ... 36 5.2 時域及頻域量測天線場型之簡介... 37 5.3 使用時域及頻域量測天線場型之探討... 38 第六章 結論與未來展望... 48 參考文獻 ... 50 附錄已發表之研討會論文及專利... 52

VIII

表目錄

第三章 產生雙波束之相移器之設計 表 3.1 開關與衰減器之間的關係表... 17 表 3.2 I 與 Q 的輸出相位值... 18 表 3.3 I 與 Q 的輸出相位值... 19 表 3.4 I 與 Q 的輸出相位值... 20 表 3.5 I 與 Q 的輸出相位值... 21

IX

圖目錄

第二章 新型雙波束掃描相列天線 圖 2.1 波束成型網路結構圖... 8 圖 2.2 天線因子... 8 圖 2.3 電腦控制掃描波束(BSC) ... 9 圖 2.4 原始之場型... 10 圖 2.5 掃描 30°之場型... 10 圖 2.6 多重路徑示意圖... 10 圖 2.7 通道相移器示意圖... 11 第三章 產生雙波束之相移器之設計 圖 3.1 象限圖 ... 16 圖 3.2 N 通道相移器 I/Q 示意圖... 16 圖 3.3 I/Q 掃描時對應天線之掃描圖... 17 圖 3.4 陣列 I 掃瞄於+20 度時場型圖... 18 圖 3.5 陣列 I 掃瞄於-20 度時場型圖... 19 圖 3.6 陣列 I 掃瞄於+30 度時場型圖... 20 圖 3.7 陣列 I 掃瞄於-30 度時場型圖... 21 圖 3.8 第一代單波束相移器硬體示意圖... 22 圖 3.9 整體組裝後之波束成型模擬器... 22 圖 3.10 新型第二代雙波束相移器硬體示意圖... 23

X 圖 3.11 八片雙波束相移器硬體組裝示意圖... 23 第四章 功率分配器設計 圖 4.1 三路 T 型介面功率分配器... 26 圖 4.2 四路威爾京生功率分配器... 26 圖 4.3 直角(90°)分合波器... 26 圖 4.4 一比八威爾京生功率分配器幾何結構圖... 27 圖 4.5 一比八威爾京生功率分配器硬體實體圖正面... 27 圖 4.6 一比八威爾京生功率分配器硬體實體圖背面... 28 圖 4.7 電路板裝設硬體圖... 28 圖 4.8 一比八威爾京生功率分配器硬體組裝圖... 29 圖 4.9(a)模擬 S11 輸入反射損失圖... 29 圖 4.9(b)量測 S11 輸入反射損失圖... 30 圖 4.10(a)模擬輸入埠至各輸出埠之相位變化圖... 31 圖 4.10(b)量測輸入埠至各輸出埠之相位變化圖... 31 圖 4.10(c)量測相位變化硬體圖... 32 圖 4.11(a)模擬輸入埠至各輸出埠之反射損失圖... 32 圖 4.11(b)量測輸入埠至各輸出埠之反射損失圖... 33 圖 4.11(c)量測反射損失硬體圖... 33 圖 4.12(a) 模擬八輸出埠之隔離度... 34 圖 4.12(b) 量測八輸出埠之隔離度... 34

XI 圖 4.12(c) 八輸出埠之隔離度量測硬體圖... 35 第五章 天線單元設計與量測 圖 5.1 天線正面幾何結構圖... 39 圖 5.2 天線背面幾何結構圖... 39 圖 5.3、反射損失模擬圖... 40 圖 5.4、2.4GHz-E Plane... 40 圖 5.5、2.4GHz-H Plane... 41 圖 5.6、天線實體、正反兩面... 41 圖 5.7 SATIMO 量測系統示意圖... 42 圖 5.8 CONIC CUT 示意圖... 42

圖 5.9 Conical Cut Method 實體圖... 43

圖 5.10 天線架設圖... 43 圖 5.11 量測 2.4GHz~2.7GHz E-plane... 44 圖 5.12 天線架設圖... 44 圖 5.13 量測 2.4GHz~2.7GHz H-plane... 45 圖 5.14 天線架設圖... 45 圖 5.15 量測 2.3GHz~2.7GHz E-plane... 46 圖 5.16 量測 2.4GHz~2.7GHz H-plane... 46 圖 5.17 反射損失... 47

1

第一章 緒 論

1.1 前言 無線區域網路在近幾年的應用已廣泛成熟，無線的優勢是非常吸引人的， 可以擺脫有線網路的不便利性，不受惱人複雜的布線所苦，用戶端的機動性也 大大的提升，再加上目前無線技術穩定、速度高、價格合理，因此使得無線區 域網路產品的市場在近幾年急速成長。 雖然無線環境的優點不少，但它還是有一些問題須注意，無線採用大氣中 電波做為媒介傳播，因此會遭遇到一些阻礙無線電波傳播的問題，例如多重路 徑干擾(Multi-path Interference)，接收訊號能量及相位的變動和訊號的改變 也就是訊號衰弱(Fading)與遮蔽效應(Shadows)的影響等問題而使得通訊品質 變差，正確利用線性天線陣列、波束成形和智慧天線技術可以有效改善無線鏈 路品質，提高訊號傳輸的穩定性。 1.2 研究背景與動機 傳統無線區域網路之存取點，採用空間分集(SDMA)之天線部置，由於天線 場型較寬，受多重路徑影響較大，因此傳輸率較差，思考用較窄波束之天線場 型，但又能含蓋通信範圍之智慧型相列天線系統，因此利用學校通信研發中心 的先進量測設備，研發相列天線系統供通信系統使用。 過去本校資通訊研究中心已完成製作單波束之相列天線系統，所製作的單 波束相列天線系統是由功率組合器、相移器、相位控制器以及電源供應器這幾 個部分所組成的，除資料傳輸量不夠大之外，在整體結構上體積與重量顯得相

2 當大且笨重。因此，以上針對無線區域網路天線系統整體結構上體積以及資料 傳輸考量是需要再改進的。 在第一部份，將針對以上所需要改進的部分，進行相移器之雛型規劃設計， 使其體積變小，並產生雙波束輸出之功能，以增加資料傳輸量。 第二部份將延續第一部份所製作之相移器、功率分配器、波束成型控制器 系統，組裝整合作為相列天線陣列系統，產生雙波束之天線場型，傳統天線量 測系統難以同時量測多波束功能之天線。利用中心現有之球型天線近場量測系 統量測多波束場型。 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

3 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。

4

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 Computer)電腦波束控制。其陣列場型(Array Factor)會被電磁波的方位角θ所決 定，可分為以下三種情況討論: 1.未包括掃瞄天線陣列因子，其電場強度 E 為 N 個天線單元輻射場型a(θ)的 加總，如式(1)，其原始之場型如 2.4 所示。

{

}

1 1

sin 2 sin 7 sin

1 8 ( ) sin 1 1 ( ) ( ) 1 ... = ( ) jkr jkd jk d jk d jkr N jk N n d n e E a e e e r e a e r θ θ θ θ

θ

θ

θ

− − − − − = − − = = + + + +

∑

(1) r 為信號來源端到元件之間的距離 1 1 2 1 3 1 8 1

,

s in

,

2

s in

...

7

s in

r

r

r

r

d

r

r

d

r

r

d

θ

θ

θ

=

=

+

=

+

=

+

Power Pattern 20log E( ) (dBm)θ 如式(2)

1 8 ( ) sin 1 1 ( ) 20 log ( ) jkr N jk N n d n e P a e r θ

θ

θ

− = − − = =

∑

₍₂₎ 2.包括掃瞄天線陣列因子其掃描角度為θ0，其總電場強度如式(3) 1 8 ( ) sin 1 1 ( ) ( ) n jkr N jk N n d j n e E a e r θ

θ

θ

− = − − + Φ = =

∑

₍₃₎ 其中 Φ =_n k N( −n d) sinθ₀則推導出如式(4)

6 1 0 8 ( ) (sin sin ) 1 1

( )

( )

jkr N jk N n d n

e

E

a

e

r

θ θ

θ

θ

− = − − − =

=

∑

₍₄₎

1 k(8 1) sind θ0, 2 k d6 sinθ0,... 7 kdsinθ0, 8 0

Φ = − Φ = Φ = Φ = 可知 1 2 2 3 0 0 2 ... kdsin

θ

π

dsin

θ

λ

ΔΦ = Φ − Φ = Φ − Φ = = = 由(4)式可得知當輸入有a(θ)、r、λ為波長或是f頻率、天線元件數量N及掃描 角度θ0時，輸出可得知其功率及電磁波的方位角θ。當掃描角度於30°時之天線 場型，如圖2.5所示。 3.在多重路徑之情況時如圖 2.6 所示，掃瞄天線陣列因子其掃描角度為θm其電 場強度 E 為 N 個天線單元輻射場型a(θ)及 M 個多重路徑的天線單元輻射場型加 總如(5)式，b 為反射係數，總電場強度如(6)式。 8 ( ) ( sin sin ) 1

( )

m jkr N jk N n d m m n m

be

E

a

e

r

θ θ

θ

− = − − − + =

=

∑

₍₅₎ M 1

( )

( )

T m m

E

θ

E

θ

E

=

=

+

∑

₍₆₎ 由(5)式可得知當輸入有a(θ)、r、λ為波長或是f頻率、天線元件數量N掃描角 度θ0、M、(b1…bM)、(rm1…rmM )、(θm1…θmM )時，輸出可得知其功率及電磁波的 方位角θ。 總輻射功率為

P

T

( )

θ

=

20 log

E

T

( )

θ

7 2.3 雙波束掃描原理 圖 2.7 為一個新設計的通道相移器示意圖，利用射頻開關操作 I/Q 通道的 情形。信號由一個 1:2 的功率分配器，分成 I/Q 兩通道選擇 0 度或是反向 180 度。4 個 RF 開關分別以 Fi 及 Fq 表示，1 代表 0 度-1 代表 180 度，行成 4 個正 交訊息點，經由 2 個數位步階衰減器以ai、aq表示及 1 個 90 度的 3dB 混合耦合 器所組成，來決定輸出之信號大小與角度落在第幾象限。當信號進入時，所有 的相移器開始交互工作，利用合適的 RF 開關以及改變功率分配器的 2 個輸出至 數位步進衰減器，其輸出 I 值如式(7)、Q 值如式(8) (7) (8) I 的相位為 (9) Q 的相位為 (10) 2.4 討論 本設計之工作頻率為(2.4GHz到2.8 GHz)，兩陣列天線使用同一組BFN， 可於同時間產生兩對稱之波束，縮短掃描時間及能量使用，成本減少促使實驗 效率提升。 1 [tan 180 ] 2 2 1 ( ) ( ) 2 o i i q q F a j F a q q i i I I F a F a e − ₋ ∠ = + 1 [tan 180 ] 2 2 1 ( ) ( ) 2 q q o i i F a j F a i i q q Q Q F a F a e − ₋ ∠ = + 1 tan i i 180o q q F a I F a − ∠ = − 1 tan q q 180o i i F a Q F a − ∠ = −

8

圖 2.1 波束成型網路結構圖

9

圖 2.3 電腦控制掃描波束(BSC)

10

圖 2.5 掃描 30°之場型

11

12

第三章 產生雙波束之相移器之設計

本章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，較適 合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。具體而言本設計 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。 3.1 產生雙波束相移器原理

一般的傳統相移器大多使用數位控制 Ferrite 和 PIN Diode 相移器的相位 位元數。而且傳統通訊或雷達系統操作天線方位時，一波束指向性指向另一個 方位角，同一時間僅能產生一波束。這些種類的相移器都為兩埠，一輸入埠及 一輸出埠。除此之外低資料量及時間消耗也是我們所考量的部份。 通道相移器，利用射頻開關操作 I/Q 通道的情形，本設計之步階衰減器取 樣為 5Bits，二的五次方為三十二，則有 32 總情形。一個象限為 90 度除以 32， 則每 2.8125 度取樣一次，其數值精準。信號由一個 1:2 的功率分配器，分成 I/Q 兩通道選擇 0 度或是反向 180 度。4 個 RF 開關分別以 Fi 及 Fq 表示，1 代表 0 度-1 代表 180 度，行成 4 個正交訊息點，經由 2 個數位步階衰減器以ai、aq表 示，及 1 個 90 度的 3dB 混合耦合器所組成，來決定輸出之信號大小與角度落在 第幾象限。當信號進入時，所有的相移器開始交互工作，利用合適的 RF 開關以 及改變功率分配器的 2 個輸出至數位步進衰減器，其輸出 I 值如式(11)、Q 值如 式(12)。

13 (11) (12) I 的相位數學式為 (13) Q 的相位數學式為 (14) 下面舉四個例子說明開關與衰減器之間的關係: 例一: Fi=1、Fq=1、a_i=1、a_q=1 時，由式(13)及式(14) 計算出結果 I 的相位角為 -135°、Q 的相位角為-135°分別落於第三象限。 例二: Fi=1、Fq= -1、a_i =1、a_q=1 時，由式(13)及式(14) 計算出結果 I 的相位角為 -45°，落於第四象限，Q 的相位角為-225°落於第二象限。 例三: Fi=-1、Fq= 1、a_i =1、a_q=1 時，由式(13)及式(14) 計算出結果 I 的相位角為 -225°落於第二象限，Q 的相位角為-45°落於第四象限。 例四: Fi=-1、Fq= -1、ai =1、aq=1 時，由式(13)及式(14)計算出結果計算出結果 I 的相位角為 45°，Q 的相位角為-315°分別落於第一象限。以上四個例子分別歸 納列於表格 3.1、象限圖如 3.1 所示。 1 [tan 180 ] 2 2 1 ( ) ( ) 2 o i i q q F a j F a q q i i I I I F a F a e − ₋ = ∠ = + 1 [tan 180 ] 2 2 1 ( ) ( ) 2 q q o i i F a j F a i i q q Q Q Q F a F a e − ₋ = ∠ = + 1 tan i i 180o q q F a I F a − ∠ = − 1 tan q q 180o i i F a Q F a − ∠ = −

14 3.2 多波束天線陣列應用 一般傳統相移器使用一個通道，將其另一個通道加上 50 歐姆終斷電阻，終 止其信號能量，同一時間內僅有單波束輸出。本章在討論 I/Q 通道同時使用時 之情況，N 個陣列 I 和 Q 的輸出，有 N 個 I、Q 相移器分別接上天線如圖 3.2 所 示有 N 個相移器分別於 I 與 Q 通道上各接上一根天線，I 及 Q 各產生波束，其 I 通道掃描如圖 3.3 I/Q 掃描時對應天線之掃描圖，藍色線段 Q 通道掃描如粉紅 線段，將(13)式與(14)式其角度相加如(15)式，如(16)式會等於 90 度，也如(17) 式等於-270 度。 1 1 o tan i i tan q q 360 q q i i F a F a I Q F a F a − − ∠ + ∠ = + − (15) 1 1 o tan i i tan q q =90 q q i i F a F a F a F a − ₊ − Q (16) 270I Q o ∴ ∠ + ∠ = − (17) 以下四例子，舉例說明 例 1:當 I 天線陣列，天線單元間距為 2 λ ，陣列波束掃描+20°時，在此情況下 Q 天線陣列如天線單元 2 λ ，則陣列波束為-20°，陣列 I 掃瞄於+20 度時，雙波束場 型掃瞄圖如圖 3.4 所示，天線之相位角如表 3.2 所示。 例 2:當 I 天線陣列，天線單元間距為 2 λ ，陣列波束掃描-20°時，在此情況下 Q 天線陣列如天線單元 2 λ ，則陣列波束為+20°，陣列 I 掃瞄於-20 度時，雙波束場 型掃瞄圖如圖 3.5 所示，天線之相位角如表 3.3 所示。

15 例 3:當 I 天線陣列，天線單元間距為 2 λ ，陣列波束掃描+30°時，在此情況下 Q 天線陣列如天線單元 2 λ ，則陣列波束為-30°，陣列 I 掃瞄於+30 度時，雙波束場 型掃瞄圖如圖 3.6 所示，天線之相位角如表 3.4 所示。 例 4:當 I 天線陣列，天線單元間距為 2 λ ，陣列波束掃描-30°時，在此情況下 Q 天線陣列如天線單元 2 λ ，則陣列波束為+30°，陣列 I 掃瞄於-30 度時，雙波束場 型掃瞄圖如圖 3.7 所示，天線之相位角如表 3.5 所示。 當其兩波束掃瞄至正前方時，因掃描速度很快，不會產生死角的問題。 3.3 硬體製作 第一代之單波束相移器如圖 3.8 所示，使用 FR4 板材。尺寸寬為 5cm，長為

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

17 天線掃描圖 -40 -30 -20 -10 0 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 Theta Pa tte rn 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 F_i 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

18 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 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

22

圖 3.8 第一代單波束相移器硬體示意圖

23

圖 3.10 新型第二代雙波束相移器硬體示意圖

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

25 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。

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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

27

圖 4.4 一比八威爾京生功率分配器幾何結構圖

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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

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圖 4.8 一比八威爾京生功率分配器硬體組裝圖

30 -30 -25 -20 -15 -10 -5 2 2.25 2.5 2.75 3 Freq[GHz] dB 圖4.9(b)量測S11輸入反射損失圖 圖4.9(c)量測S11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] de gr ee ∠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

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

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圖 4.12(c) 八輸出埠之隔離度量測硬體圖

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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

37 5.2 時域及頻域量測天線場型之簡介 時域縮距天線量測場之簡介: 一般傳統天線的量測方式可分為三種，分別為近場量測系統、縮距場量測 系統，及遠場量測系統[6]，以上的量測方式通常皆屬於高成本、高花費，因為 它需要在射頻的微波暗室內進行量測，主要還需要有高精確性的掃描裝置、網 路分析儀及微波吸收體，亦需要考慮到微波暗室的大小，若暗室越大(像是遠場 大小)其所需之空間及微波吸收體的成本也就越高了。相較之下，若使用縮距場 量測方式，將節省許多的空間，但如要得到更具有高精確性的結果，對縮距反 射面天線的要求在設計成本上亦會相對地提高。 傳統的縮距場量測方法都是使用反射面天線，因為它可以產生近似遠場距 離之平面波，一般縮距反射面天線有三種結構，分別為單一偏焦拋物反射面， 拋物面及圓柱面雙反射面[7]，及雙形變反射面[8]，由於反射面天線會產生邊緣

繞射，通常解決邊緣繞射的方式有鋸齒狀邊緣(Serrated edge)[9]、捲邊(Roll

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。

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圖 5.1 天線正面幾何結構圖

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圖 5.3、反射損失模擬圖

41

圖 5.5、2.4GHz-H Plane

42

圖 5.7 SATIMO 量測系統示意圖

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圖5.9 Conical Cut Method實體圖

44

圖 5.11 量測 2.4GHz~2.7GHz E-plane

45

圖 5.13 量測 2.4GHz~2.7GHz H-plane

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圖 5.15 量測 2.3GHz~2.7GHz E-plane

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48

第六章 結論與未來展望

本篇論文已設計出第一代之雛型相移器，貢獻發現及分析相移器具有雙波 束之輸出功能。利用此分析結果設計新型相移器供相列天線之波束成型器使 用，可使相列天線系統產生對稱之雙波束天線場型，有別於傳統單一波束之相 列天線系統。 目前製作之系統，僅為單一波束之天線陣列波束成型模擬器( Phase Array 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、 相位控制器以及電源供應器。相移器與控制電路部分，相移器整體構造已使用 印刷電路板製作 N 個提供測試。在整體構造部分，天線陣列波束成型模擬器硬 體分析、設計、及製作已完成，且天線整體系統結構也已組裝完成。 單波束之天線系統以供量測研究與特性分析，所製作的單波束相列天線系 統是由功率組合器、相移器、相位控制器以及電源供應器這幾個部分所組成的， 在整體結構上體積與重量顯得相當大且笨重。再來是考慮成本的問題，由於功 率組合器、相移器、相位控制器以及電源供應器這幾個部分單元都是個別設計 開發的，所以在板材的選擇、機械結構的設計與人力分配的這些成本相對就會 變高。因此，以上針對無線區域網路天線系統整體結構上體積以及製作成本考 量是需要再改進的。 針對以上所需要改進的部分，已經進行初步相移器之雛型規劃設計，一般 傳統波束成型網路在同一時間，僅能產生一個波束掃描功能。本設計可產生 雙波束，可縮短掃描時間及增加其資料量。 將所製作之第一代相移器、功率分配器、波束成型控制器系統組裝整合作 為測試，組裝成果結合將設計及量測雙波束相列天線系統之特性，再將其結合

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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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51

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[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.

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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

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附錄一

天線陣列波束成型模擬器分析與設計 彭嘉賢、張道治 亞東技術學院 摘要 本篇論文提出波束成型網路(BFN)的技術方法應 用於行動基地台的新技術。將 8 個相移器置於一組由 8 個天線單元，組成之天線陣列波束模擬成型器。應 用射頻數位步進衰減器設計 BFN 演算法，分析結果為 相移器 I 與 Q 相加，和為-270°。根據此結果，使用 PCAAD 模擬 N 個 I 及 Q 通道，天線掃描時發現 I=θ₀， 將會得到 Q 為-θ₀，並具雙波束功能，可縮短掃描時 間及能量使用。 關鍵字：行動基地台，射頻數位步進衰減器，相移器， 波束成型網路。 I. 前言 本文章進行天線陣列波束成型模擬器分析，設計 新型相移器之結構，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] 或接通串聯數位開關相移器[2、3]時，BFN 可作為相 位陣列模擬，或是相位陣列量測系統。BFN 的可解析 角度是一個方位角(Azimuth)，設計之頻率範圍可依需 求設計。天線陣列系統之波束場型測試可應用於『調 適性相列天線』、『MIMO 系統組合等研究』，透過先期 試驗更可促使成本減少，並可過濾不必要的誤差，促 使實驗效率提升。 一般傳統相移器（圖一）取樣位數為 3bit 有六個 開關，假設每個開關衰減 0.5dB 則此相移器衰減 3dB， 當位元數越多其損耗衰減量越大。本文第II部份討論 使用射頻數位步進衰減器演算法，設計 BFN 的系統架 構及工作原理，第III部份說明通道之相移器結構分 析，第 IV 部份討論多波束天線陣列應用並舉例說明， 第 V 部份則為研究之結論。 II. 系統架構及工作原理 圖二為 BFN 示意圖，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一 信號輸出。圖三為 N 個元件線性陣列示意圖，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，其陣列場 型(Array Factor)會被電磁波的方位角θ所決定。分為以 下三總情況討論: 討論一:未包括掃瞄天線陣列因子，其電場強度 E 為 N 個天線單元輻射場型a(θ)的加總，r 為信號來源端到 元件之間的距離，如式(1)。 (1) 討論二:包括掃瞄天線陣列因子其掃描角度為θ₀，其 總電場強度為 (2) 由(2)式可得知當輸入有a(θ)、r、λ 為波長或是f頻 率、天線元件數量N及掃描角度θ₀時，輸出可得知其 功率及電磁波的方位角θ。 討論三:多重路徑掃瞄天線陣列因子其掃描角度為 m θ ，b為反射係數，其總電場強度為 (3)

{

}

1 1

sin 2 sin 7 sin

1 8 ( ) sin 1 1 ( ) ( ) 1 ... = ( ) jkr jkd jk d jk d jkr N jk N n d n e E a e e e r e a e r θ θ θ θ θ θ θ − − − − − = − − = = + + + +

∑

1 0 8 ( ) (sin sin ) 1 1 ( ) ( ) jkr N jk N n d n e E a e r θ θ θ θ − = − − − = =

∑

8 ( ) ( sin sin ) 1 ( ) m jkr N jk N n d m m n m be E a e r θ θ θ − = − − − + = =

∑

54 由(3)式可得知當輸入有a(θ)、r、λ 為波長或是f頻 率、天線元件數量N掃描角度θ₀、M、(b₁…b_M )、 ( 1 m r … M m r )、( 1 m θ … M m θ )時，輸出可得知其功率及電 磁波的方位角θ。 III. 相移器結構 圖四為一個新設計的通道相移器示意圖，利用射 頻開關操作 I/Q 通道的情形，與位元數無關。信號由 一個 1:2 的功率分配器，分成 I/Q 兩通道選擇 0 度或是 反向 180 度。4 個 RF 開關分別以 Fi及 Fq表示，1 代表 0 度-1 代表 180 度，行成 4 個正交訊息點，經由 2 個 數位步階衰減器以a_i、a_q表示及 1 個 90 度的 3dB 混 合耦合器所組成，來決定輸出之信號大小與角度落在 第幾象限。當信號進入時，所有的相移器開始交互工 作，利用合適的 RF 開關以及改變功率分配器的 2 個 輸出至數位步進衰減器，其輸出 I 值如式(4)、Q 值如 式(5) (4) (5) I 的相位為 (6) P 的相位為 (7) 下面舉四個例子說明開關與衰減器之間的關係: 例一 Fi=1、Fq=1、a_i=1、a_q=1 時，由式(6)及式(7) 計 算出結果_{I的相位角為}−135o_{、 的相位角為}Q −135o 分別落於第三象限。 例二 Fi=1、Fq= -1、a_i =1、a_q=1 時，由式(6)及式(7) 計 算出結果 I的相位角為−45o，落於第四象限， Q的相位角為-225o落於第二象限。 例三 Fi=-1、Fq= 1、a_i =1、a_q=1 時，由式(6)及式(7) 計 算出結果 I 的相位角為−225o落於第二象限，Q 的相 位角為-45o落於第四象限。 例四 Fi=-1、Fq= -1、a_i =1、a_q=1 時，由式(6)及式(7) 計算出結果計算出結果 I 的相位角為 45o_{，Q 的相位} 角為−315o分別落於第一象限。以上四個例子分別歸 納列於表格一 IV. 多波束天線陣列應用 大部分一般相移器使用一個通道，將另一個通道加 上 50 歐姆終斷電阻，終止其信號能量，僅有單波束輸 出。本篇在討論 I/Q 通道同時使用時之情況，N 個陣 列 I 和 Q 的輸出，有 N 個 I、Q 相移器分別接上天線 如圖五所示有八個相移器分別於 I 與 Q 通道上各接上 一根天線，I 及 Q 各產生波束，其 I 通道掃描如圖六 藍色線段 Q 通道掃描如粉紅線段，將(6)式與(7)式其角 度相加等於-270 度。 1 1 o 1 1 o tan tan 360 tan tan =90 270 q q i i q q i i q q i i q q i i o F a F a I Q F a F a F a F a F a F a I Q − − − − ∠ + ∠ = + − + ∠ + ∠ = − 因 固 舉例說明 I 天線陣列，天線單元間距為 2 λ ，陣列波束掃描 20° 時，天線之相位角如表二所示，在此情況下 Q 天線陣 列如天線單元 2 λ ，則陣列波束為-20°，天線之相位角 如表二所示 1 [tan 180 ] 2 2 1 ( ) ( ) 2 o i i q q F a j F a q q i i I I F a F a e − ₋ ∠ = + 1 [tan 180 ] 2 2 1 ( ) ( ) 2 q q o i i F a j F a i i q q Q Q F a F a e − ₋ ∠ = + 1 tan i i 180o q q F a I F a − ∠ = − 1 tan q q 180o i i F a Q F a − ∠ = −

55 V. 結論 本論文內容包括目標信號及多重路徑之天線陣列 因子分析，預計完成如圖七之天線陣列波束成型模擬 器最佳化設計、軟體開發與硬體設計及製作。根據此 研究結果，完成以下硬體架構:一、包括電源供應器、 相移器及波束掃描控制器如圖八。二、前面版裝置， 有 1 個 RF 輸入接頭，連接至 8 個 SMA 接頭，輸出至 8 根天線如圖九。三、後面板裝置，RS232 連接埠裝置 連接電腦由軟體控制及電源開關等如圖十，達到八出 一入射頻電路。 本論文分析出天線陣列因子電場強度 E 及 N 個天 線 單 元 輻 射 場 型 等 各 參 數 之 間 的 關 係 。 應 用 PCAAD5.0 軟體，進行演算法模擬。其中探討了傳統 相移器與新型相移器之差異，與位元取樣數無關且可 大大減少其衰減值。I 與 Q 兩通道相位角相加時為 -270°，其掃描 I 為θ₀，Q 可得知為-θ₀，具有雙波束 功能，可縮短掃描時間及能量使用。以期除了實驗用 途外，更近一步研究作為設計相移器時之參考。 參考文獻

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F_i 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 表格一 相位角 天線單元 I N QN 1 0° -270° 2 -61.6° -208.4° 3 -123.1° -146.9° 4 -184.7° -85.3° 5 -246.3° -23.7° 6 -307.8° 37.8° 7 -369.4° 99.4° 8 -430.9° 160.9° 表格二

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 圖五 為 8 通道相移器 I/Q 示意圖 天線掃描圖 -40 -30 -20 -10 0 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 Theta P atte rn 圖六 I/Q 掃描 20 度時其對應天線掃描圖

57 圖七 波束成形器示意圖 圖九 前面版裝置圖 圖八 機械架構圖 圖十 後面版裝置圖

58 附錄二

Symmetry Antenna Patterns of PAAs by Sharing

the Same Phase Shifters of BFN

Dau-Chyrh Chang and Chia-Hsien Peng

Oriental Institute of Technology, Taiwan, R.O.C. Email: dcchang@mail.oit.edu.tw

Abstract

PAA (Phased array antenna) has the capability to scan from one beam direction to another beam direction within few microseconds. The BFN (beam forming network) is the part of phased array antenna. The BFN is composed of power dividers and phase shifters. The phase shifters are controlled by BSC (beam steering computer). Usually, one beam pattern is generated by one BFN. Dual identical phased array antennas with symmetry beam patterns is simulated and designed by the same BFN. These two patterns are symmetry in azimuth plane. The performance of new type of phase shifter and its applications will be detailed discussed in this paper.

Keyword: Phased array antenna, phase shifter, BFN

Introduction

From one beam direction to another beam direction is steering by antenna positioner for traditionally communication or radar system. Except for the low data rate, the time consuming is also concerned. Most of single beam phased array can solved these problems. BFN is the key of the phased array antenna. Phase shifters play an important rule at BFN. In general, there are ferrite phase shifter and PIN diode phase shifter with digital control phase bits. These types of phase shifters are two ports network. In this paper, phase shifters with three ports network is designed as shown in Fig.1. Port 2 and port 3 are connected to separate antenna element of two PAAs. If the phase shifters are controlled by BSC to θ₀direction, then two beams at θ₀and− for two symmetry θ₀ antenna patterns of PAAs will be generated.

Operation of Dual Beams Phased Array Antenna

In order to provide the dual PAAs, three ports phase shifter of BFN, as shown in Fig.1, will be discussed. The phase shifter is composed of 1:2 power divider, switches for

o

0 and 180 , 6 bits step attenuators, and o 90 hybrid. If the input voltage of phase shifter o is 1 volt, then the outputs of ports 2 & 3 are expressed as,

59

( )

( )

⎥⎥_⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ − ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ − + = ∠ = π q q i i a F a F j q q i ia Fa e F V V V 1 tan 2 2 2 2 2 2 1 (1)

( )

( )

⎥⎥⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ − ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − + = ∠ = π i i q q a F a F j q q i ia Fa e F V V V 1 tan 2 2 3 3 3 2 1 (2)

The value ofF ,_i F_qare either -1 or +1 for switching the microstrip line with or without the extra half wavelength. a and i a are the attenuation value of step attenuator. The value of q

i

a anda is smaller than 1 and greater than zero. q

The sum of phase V2and phase V is simplified as 3

π 2 tan tan 1 1 1 3 2 ⎟⎟− ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ + ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ = ∠ + ∠ − − a F a F a F a F V V i q q q q i i (3) Since 2 tan tan 1 1 1 =π ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ + ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ₋ − a F a F a F a F i q q q q i i (4)

Then Eq.3 is simplified to 2 3π

− radians. If the unit is expressed in degrees, then

o

270

3 2+∠ =−

∠V V (5) The properties of phase shifters as shown in Eq.5 can be used for two identical PAAs.

The beam maximum directions for these two PAAs are symmetry in opposite directions.

Simulation Results of Dual PAAs

In order to verify the properties of phase shifter can be used for two PAAs, simulation results will be expressed.

Two identical PAAs are in parallel with antenna element spacing is λ 2. Each PAA is composed of 8 antenna elements and beam scan of PAA 1 is at −20o. Ports 2 & 3 of N phase shifters at BFN are shared by dual identical PAAs as shown in Fig.2. The calculated phase outputs of 8 phase shifters are shown in table 1. Two symmetry beam directions with main beams at−20o,20oare generated as shown in Fig.3.

60

Conclusions and Future Works

New type of phase shifter for BFN of identical PAAs is simulated and developed. The relationship of two phase outputs of phase shifter has been discussed. By using this property, BFN with this type of phase shifters can be shared by two identical PAAs. Two symmetry beam patterns are generated by these two PAAs.

Hardware implementation of phase shifter is designed as shown in Fig.4. The computer modeling of BFN is shown in Fig.5. The hardware of BFN is shown in Fig.6. The

computer model of antenna element and prototype is shown in Fig.7. Test results will be detail discussed during the presentation.

Acknowledgment

This work was supported by the National Science Council, Taiwan, R.O.C., under contract NSC 96-2221-E-161-001.

References

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[5] D.C. Chang, "The Design of X-Band Single Toroid Ferrite Phase Shifter," Proceedings of 1988 Telecommunications Symposium, Chio-Tung University, Taiwan, ROC, pp.267-270, December 1988.

61 Figures Pha se outp uts Antenna element Array 1 Array 2 1 0° -270° 2 -61.6° -208.4° 3 -123.1° -146.9° 4 -184.7° -85.3° 5 -246.3° -23.7° 6 -307.8° 37.8° 7 -369.4° 99.4° 8 -430.9° 160.9°

Table 1: Phase outputs for at two phased arrays with beam scan at −20ofor array 1

Fig.1: Three ports phase shifter

62

Fig.3: Two beam patterns for the two phased arrays with scan at 20 degrees

Fig.4 Prototype of phase shifter

Fig.5: Computer modelling of BFN

63

a. Computer model

front back b. Prototype

64 附錄三

2.4GHz~2.8GHz 天線陣列雙波束成型模擬器分析與設計

張道治1 _、彭嘉賢2_、陳晟瑋3 1、 亞東技術學院 資訊與通訊工程研究所講座教授 2、 3 亞東技術學院 資訊與通訊工程研究所研究生 220 台北縣板橋市四川路二段五十八號 TEL+886-2-7738-0211 E-mail: 960130106@mail.oit.edu.tw 摘要 本篇論文提出波束成型網路(BFN)的技術方法應用於行動基地台的新技術。 將 8 個天線單元使用同一組相移器所組成之天線陣列波束模擬成型器( Phase Array Antenna Beam Forming Network Simulator )。應用射頻數位步進衰減器設計 BFN 演 算法，分析結果為相移器 I 與 Q 相加，和為-270°。根據此結果，使用 PCAAD 模擬 N 個 I 及 Q 通道，天線掃描時發現 I=θ0，將會得到 Q 為-θ0，並具雙波束功能，可 縮短掃描時間及能量使用。所製作之天線，適用於 WiMAX 之工作頻率(2.4 GHz 到 2.8 GHz)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，可在同時間產生對稱之兩掃描角度。 關鍵字：射頻數位步進衰減器、相位陣列天線、相移器、波束成型網路、Wimax。 Abstrct

PAA (Phased array antenna) has the capability to scan from one beam direction to another beam direction within few microseconds. The BFN (beam forming network) is the part of phased array antenna. The BFN is composed of power dividers and phase shifters. The phase shifters are controlled by BSC (beam steering computer). Usually, one beam pattern is generated by one BFN. Dual identical phased array antennas with

symmetry beam patterns is simulated and designed by the same BFN. These two patterns are symmetry in azimuth plane. The simulator is applicable to WiMAX frequency band(2.4GHz to 2.7 GHz). The performance of new type of phase shifter and its applications will be detailed discussed in this paper.

Keyword: Phased array antenna, phase shifter, BFN

壹、 前言 本文章進行天線陣列波束成型模擬器分析，設計新型相移器之結構，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]或接 通串聯數位開關相移器[2、3]時，BFN 可作為相位陣列模擬，或是相位陣列量測系 統。BFN 的可解析角度是一個方位角(Azimuth)，設計之頻率範圍可依需求設計。 本天線設計之工作頻率為(2.4GHz 到 2.8 GHz)，兩陣列天線使用同一組 BFN，可於 同時間產生兩對稱之波束，縮短掃描時間及能量使用，成本減少促使實驗效率提升。

一般的傳統相移器大多使用數位控制 ferrite 和 PIN Diode 相移器的相位位元數。 而且傳統通訊或雷達系統操作天線方位時，一波束指向性指向另一個方位角，同一

65 時間僅能產生一波束。這些種類的相移器都為兩埠，一輸入埠及一輸出埠。除此之 外低資料量及時間消耗也是我們所考量的部份。本篇將設計新型三埠相移器，一輸 入埠及二輸出埠，設計出新設計的通道相移器。本文第貳部份討論使用射頻數位步 進衰減器演算法，設計出 BFN 的系統架構及工作原理，第参部份說明通道之相移器 結構分析，第肆部份討論多波束天線陣列應用並舉例說明，第伍部份則為研究之結 論。 貳、 系統架構及工作原理 圖一為 BFN 示意圖，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一信號輸出。圖二為 N 個元件線性陣列示意圖，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，其陣列場型(Array Factor)會被電磁波的方位角θ所決定。分為以下三總情況 討論: 討論一:未包括掃瞄天線陣列因子，其電場強度 E 為 N 個天線單元輻射場型 a (θ) 的加總，r 為信號來源端到元件之間的距離，如式(1)。 (1) 討論二:包括掃瞄天線陣列因子其掃描角度為θ₀，其總電場強度為 (2) 由(2)式可得知當輸入有 a (θ)、r、λ為波長或是f頻率、天線元件數量N及掃描角度 0 θ 時，輸出可得知其功率及電磁波的方位角θ。 圖一 BFN 的示意圖 圖二 N 個元件線性陣列示意圖 WiMAX 之工作頻率(2.4 GHz 到 2.8 GHz)之天線，實體如圖三。其量測結果如圖四。 量測 E-plane 圖五及 H-plane 圖六型圖。

{

}

1 1 8

sin 2 sin 7 sin ( ) sin 1 1 1 ( ) ( ) 1 ... = ( ) jkr jkr N jkd jk d jk d jk N n d n e e E a e e e a e r r θ θ θ θ θ θ − − − − θ − = − − = = + + + +

∑

1 0 8 ( ) (sin sin ) 1 1 ( ) ( ) jkr N jk N n d n e E a e r θ θ θ θ − = − − − = =

∑

66 圖三 天線實體、正反兩面 圖四 Return loss (dB) 圖五 E-plane 圖六:H-plane 參、 相移器結構 圖七為一個新設計的通道相移器示意圖，利用射頻開關操作 I/Q 通道的情形， 與位元數無關。信號由一個 1:2 的功率分配器，分成 I/Q 兩通道選擇 0 度或是反向 180 度。4 個 RF 開關分別以 Fi 及 Fq 表示，1 代表 0 度-1 代表 180 度，形成 4 個正 交訊息點，經由 2 個數位步階衰減器以a 、_i a 表示及 1 個 90 度的 3dB 混合耦合器_q 所組成，來決定輸出之信號大小與角度落在第幾象限。當信號進入時，所有的相移 器開始交互工作，利用合適的 RF 開關以及改變功率分配器的 2 個輸出至數位步進 衰減器，其輸出 I 值如式(4)、Q 值如式(5)

(

)

( )

⎥⎥_⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ − ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ − + = ∠ = q q π i i a F a F j q q i ia F a e F I I I 1 tan 2 2 2 1 (4)

(

)

( )

⎥⎥⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ − ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − + = ∠ = i i π q q a F a F j q q i ia F a e F Q Q Q 1 tan 2 2 2 1 (5)

67

圖七 新設計的通道相移器示意圖

表 1 Two PAAs with beamscan at +20° for array I 肆、 多波束天線陣列應用 大部分一般相移器使用一個通道，將另一個通道加上 50 歐姆終端電阻，終止其信號能量，僅 有單波束輸出。本篇在討論 I/Q 通道同時使用時之情況，N 個陣列 I 和 Q 的輸出，有 N 個 I、Q 相移器分別接上天線如圖五所示有八個相移器分別於 I 與 Q 通道上各接上一根天線，I 及 Q 各產 生波束，其 I 通道掃描如圖六藍色線段 Q 通道掃描如粉紅線段，將(4)式與(5)式其相位角度相 加等於-270 度。 1 1 tan i i tan q q 2 q q i i F a F a I Q F a F a π − − ∠ + ∠ = + − 因 1 1 tan tan = 2 q q i i q q i i F a F a F a F a π − ₊ − 則 3 270 2 o I Q π ∠ + ∠ = − = − 。 舉例說明，I 天線陣列，陣列波束掃描在 20°時，此情況下 Q 天線陣列產生波束在-20°，天線 之 I、Q 陣列相位角如表 1 所示，產生之 beam pattern 如圖八。