• 沒有找到結果。

可塑性雙頻四極化掃描天線之設計

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "可塑性雙頻四極化掃描天線之設計"

Copied!
65
0
0

加載中.... (立即查看全文)

全文

(1)

國 立 交 通 大 學

電信工程學系碩士班 

碩  士  論  文 

可塑性雙頻四極化掃描天線之設計 

Design of the Dual‐Band Reconfigurable 

Quadri‐Polarization Diversity Antenna 

 

 

 

研究生:邱正文      (Cheng‐Wen Chiu) 

指導教授:陳富強  博士      (Dr. Fu‐Chiarng Chen) 

 

 

 

中華民國九十六年九月 

(2)

可塑性雙頻四極化掃描天線之設計 

Design of the Dual‐Band Reconfigurable 

Quadri‐Polarization Diversity Antenna 

 

研究生:邱正文      Student: Cheng‐Wen Chiu 

指導教授:陳富強  博士      Adivsor: Dr. Fu‐Chiarng Chen 

 

 

國立交通大學 

電信工程學系碩士班 

碩士論文 

 

 

A thesis 

Submitted to Department of Communication Engineering 

College of Electrical and Computer Engineering 

National Chiao Tung University 

in Partial Fulfillment of the Requirements 

for the degree of 

Master 

in 

 

 

Communication Engineering 

September 2007 

Hsinchu, Taiwan, Republic of China 

(3)

可塑性雙頻四極化天線之設計 

   

研究生:邱正文      指導教授:陳富強  博士 

 

國立交通大學電信工程系碩士班 

   

摘要 

          此論文的研究方向著重於雙頻 L 形電容耦合饋入式平面天線搭配上運用奇 偶模分析方式設計出的雙頻枝幹耦合器與寬頻的切換電路的設計來達成雙頻四 極化的目的。此架構操作的頻率是 WiMAX (3.5GHz)與 WiFi (2.45GHz)的頻段, 其中 WiMAX 更是時下熱門的應用,它相較於 WiFi 有較遠的傳輸距離、較寬的頻 帶與較高的傳輸速度,這些都足以應付商業上對於傳輸資料量相對增大的多媒體 資訊的需求。 極化掃描天線對於無線傳輸的優點是能透過多重極化提供更多的通訊通道 增加了資料的承載量與接收端的敏感度,更較能減低多重散射環境對於訊號品質 的影響。本論文也將依循著這個原則設計出能產生雙圓形與雙線性的天線架構。 整體架構包含三個部分:L 形電容耦合饋入式平面天線是為了克服平面式微帶天 線窄頻的缺點;雙頻枝幹耦合器提供天線在操作的兩個頻率點上各輸出兩組相差 正九十度與負九十度的訊號,最後寬頻的切換電路是將枝幹耦合器的兩組訊號作 分配用以激發不同方向的天線以產生線性極化模態或同時激發兩個垂直的天線 以產生圓形極化模態。      

(4)

Design of the Dual‐Band Reconfigurable Quadri‐Polarization 

Diversity Antenna 

Student: Cheng‐Wen Chiu 

     

Advisor: Dr. Fu‐Chiarng Chen

   

Department of Communication Engineering       

National Chiao Tung University 

 

Abstract

 

This  thesis  introduces  the  design  of  a  patch  antenna  fed  by  L‐shaped  capacitive  coupling  probes,  along  with  a  dual‐band  branch  line  coupler  designed  by  the  even‐odd  mode  analysis  method  we  proposed  in  this  thesis  and  the  wideband  switching  circuit  to  achieve  our  purpose  of  the  dual‐band  quadri‐polarization  diversity  antenna.  In  nowadays,  WiMAX  is  becoming  more  popular  in  wireless  communication  application  besides  WiFi.  This  antenna  structure  operates  at  WiFi  (2.45GHz) and WiMAX (3.5GHz) spectrum. The transmission distance, bandwidth and  transmission speed of WiMAX operation are better than that of WiFi   

The advantages of polarization diversity antenna include providing more channels  by  producing  more  polarization  modes  to  enhance  the  capacity  and  receiver  sensitivity  and  reducing  the  effect  of  multi‐scattering  environment.  Based  on  these  principles, we propose an antenna structure which can produce dual linear and dual  circular polarizations. There are three parts in our design: first, the dual‐band branch  line  coupler  provides  two  equal‐power  signals  with  90°  or  ‐90°  phase  difference  in  each operating band. Second, the wideband switching circuit controls the two output  powers  of  branch  line  coupler  to  excite  the  antenna  structure  for  producing  linear  polarization wave or circular polarization wave. Third, the L‐shaped fed conventional 

(5)

 

ACKNOWLEDGEMENTS

 

I  must  offer  my  thanks  to  my  family.  Every  time  when  I  need  them,  they  are  always  there  and  give  me  the  greatest  help  and  care.  Without  their  support  and  encouragement,  I  could  not  be  better  than  ever.  Thank  my  professor  for  the  free  research  environment  he  brings  to  us,  and  I  learn  how  to  find  a  way  to  solve  problems and think independently. Especially, thank my fellows including Nan, Peng,  Eric, LK and Y‐Pen for their inspiring help and consultation. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(6)

Contents 

ABSTRACT  (CHINESE)       

 

      I 

ABSTRACT  (ENGLISH)      II 

ACKNOWLEDGEMENTS       

   

      III 

CONTENTS      IV 

FIGURE CAPTIONS       

 

       

 

 

   

 

     

VI 

TABLE CAPTIONS       

 

       

 

        VIII 

Chapter  1  Introduction

………..…….1

 

1.1  Motivation……….1  1.2 Organization……….…..2 

Chapter 2 Theory of Planar Polarized Antenna

………..4

 

2.1 Theory of Printed Antenna………..….….……..4  2.2 Polarization……….……10  2.3 Polarization of an Antenna……….……….11 

Chapter  3  Dual‐band  Branch  Line  Coupler  with  Wideband  switching 

Circuit

 ……….……12

 

3.1  The  Theory  of  The  Dual‐band  BLC………..…….….12 

3.2  Design  of  Wideband  Switching  Circuit………19 

3.3  Experimental  Results………..21 

Chapter 4: Dual‐band Patch

 

Antenna

………29

 

4.1

 

Antenna Design………..29 

4.2 Simulation and Measurement Results……….31 

(7)

5.1 Simulation and Measurement Results.……….……….36 

Chapter 6: Conclusion

……….………53 

References

……….….54

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(8)

Figure Captions 

Figure 2‐1 The rectangular microstrip patch antenna..……….6 

Figure 2‐2 Techniques for feeding microstrip patch antennas..……….……….7 

Figure 2‐3 Patch antenna fed by L‐shaped probe..……….………..9 

Figure  2‐4  Some  wave  polarization  states..………10 

Figure 2‐5 The traveling circular‐polarization wave. ………11  Figure 3‐1 T‐model of artificial RH and LH TL, respectively.……….…...12  Figure 3‐2 The even‐mode and odd‐mode circuit. (a) Equivalent circuit. (b) Practical    circuit………..16  Figure 3‐3 The testing circuit schematic………...…..……18  Figure 3‐4 The simulated return loss of the testing circuit...…..……18  Figure 3‐5 The schematic circuit of RF

 

choke………..…………20  Figure 3‐6 The schematic circuit of wideband

 

switch.

 

………20 

Figure 3‐7 Combination of the dual‐band BLC

 

and two wideband switching circuits..22 

Figure 3‐8 The simulated results of the dual‐band BLC in Case 2

 

state………23 

Figure 3‐9 The simulated results of the dual‐band BLC in Case 4

 

state…….………..……24 

Figure 3‐10 The simulated angle difference of the dual‐band BLC…………..………

……25 

Figure 3‐11 Measured performances of combination of the dual‐band BLC with two        wideband  switching

 

circuits  in  Case  2  state……….……….…26 

Figure 3‐12 Measured performances of combination of the dual‐band BLC with two        wideband  switching

 

circuits  in  Case  4  state……….……….…27 

(9)

slots.………….………..……….….30 

Figure 4‐3 Patch antenna fed by L‐shaped probe with four slots………….………..…….….31 

Figure 4‐4 The scattering parameters of the patch antenna with four slots fed by two  orthogonal L‐shaped

 

probes……….………...……..33 

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

 

probes……….…….…..…....34 

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

 

probes……….………..…....35 

Figure 5‐1 The system block of the

 

dual‐band antenna structure………….………..37 

Figure 5‐2 The top view of simulated antenna structure in HFSS.…...40 

Figure 5‐3 The simulated

 

scattering parameters in Case 1 and Case 3 state…...41 

Figure 5‐4 The simulated

 

scattering parameters in Case 2 and Case 4 state…...42 

Figure 5‐5 The simulated radiation patterns in Case 1……….…...43 

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……44  Figure 5‐7 The measured scattering parameters of the antenna structure for Case 1  and

 

Case 3……….………….…..……….….…….45  Figure 5‐8 The measured scattering parameters of the antenna structure for Case 2    and Case 4……….……….46  Figure 5‐9 The measured 

E

‐plane radiation patterns in Case 1 state………....47 

Figure 5‐10 The measured

 E

‐plane radiation

 

patterns in Case 1 state……….48 

Figure 5‐11 The measured radiation patterns

 

in Case 2 state………..……….49 

Figure 5‐12 The measured radiation patterns

 

in Case 2 state………..……….50 

Figure 5‐13 The measured axial‐ratio of the proposed antenna……….……..…..51   

(10)

Table Captions 

Table 3‐1 The DIMENSION AND LC VALUES WE IMPLEMENT IN THE DUAL‐BAND BLC  …..…..………...18  Table  3‐2  THE  OPERATING  SENSE  OF  FOUR  STATES  OF  COMBINATION  OF  THE 

DUAL‐BAND BLC AND TWO WIDEBAND SWITHCING CIRCUITS……….…22  Table  5‐1  STATUTES  OF  THE  DUAL‐BAND  ANTENNA  STRUCTURE.………...38  Table  5‐2  THE  MEASURED  PERFORMANCES  OF  THE  DUAL‐BAND  ANTENNA  STRUCTURE.………...………..….……52                                             

(11)

Chapter 1    Introduction 

1.1 Motivation 

      Recently,  the  applications  of  WiFi  (Wireless  Fidelity)  and  WiMAX  (Worldwide  Interoperability  for  Microwave  Access)  are  becoming  more  popular  in  wireless  communication.  In  early  stages,  WiFi  provide  the  best  solution  for  establishing  wireless local network. However in nowadays, the bandwidth and transmission speed  which WiFi provides are not enough for the mass data transmission of multimedia in  business  application.  Therefore,  the  specification  of  WiMAX  which  IEEE  established  the standard of 802.16 is set for solving these problems.   

      An  antenna  structure  with  various  polarization  modes  has  been  applied  in  wireless  communication.  In  general,  the  designers  use  two  antennas  in  orthogonal  direction and feeding two equal power signals with 90° phase difference to produce  various  polarizations.  The  polarization  diversity  can  provide  more  channels  to  enhance  the  capacity  and  receiver  sensitivity  and  overcome  the  multi‐scattering  environment in urban areas. Many researches have implemented these concepts to  design an antenna structure with quadri‐polarization states [1‐2]. 

      The  most  popular  candidate  of  the  antenna  with  various  polarization  modes  is  the  rectangular  patch  microstrip  antenna.  And  the  techniques  for  feeding  patches  can be classified into three groups: directly coupled, electromagnetically coupled, or  aperture coupled [3]. But the three conventional techniques can not offer the wide  bandwidth  operation  of  WiMAX.  Recently,  many  researchers  use  the  technique  of  L‐shaped capacitive‐coupled feeding method to broaden bandwidth [4].   

Based  on  this  idea,  we  propose  an  antenna  structure  to  satisfy  the  dual‐band  requirement  and  solve  the  cross‐polarization  and  coupling  effect.  The  dual‐band 

(12)

feeding  network  utilizes  the  concept  of  composite  right/left  hand  (CRLH)  transmission  line  to  provide  two  equal‐power  signals  with  90°  phase  difference  in  two  operation  bands  [5].  The  method  they  proposed  in  [5]  is  not  suitable  for  the  dual‐band  branch  line  coupler  (BLC)  operate  at  WiFi  and  WiMAX  applications.  For  solving  this  problem  and  explain  this  phenomena  we  propose  another  even‐odd  mode analysis method in this thesis to design the dual‐band BLC. Moreover, we use  PIN diodes to design a wideband switching circuit for controlling the output power of  the dual‐band BLC. By switching ON/OFF states of the PIN diodes, we can achieve the  design of the dual‐band quadri‐polarization diversity antenna successfully. 

1.2 Organization 

In this thesis, we will present the dual‐band quadri‐polarization diversity antenna  in the following chapters respectively:  Chapter

 

2:  We will introduce the conventional planar patch antenna and polarization  antenna. Furthermore, we will discuss the capacitively‐coupled feeding  method which will be applied in our antenna design. 

Chapter  3:  This  chapter  we  propose  another  even‐odd  mode  analysis  method  to  design  the  dual‐band  BLC  and  a  wideband  switching  circuit.  The  wideband  switching  circuit  is  composed  of  pin  diodes  and  RF  chokes.  The pin diodes control RF power to excite the antenna or be terminated  with 50‐Ohm load. The RF choke provides a loop of DC bias and prevents  RF power from affecting the DC power. 

Chapter  4:  This  chapter  completely  introduces  our  antenna  design  with 

(13)

Chapter  5:  We  will  show  the  combination  of  these  three  parts  we  proposed  previously  and  demonstrate  the  measurement  results  of  scattering  parameters  and  radiation  patterns  of  the  linear  and  circular  polarization.  Chapter

 

6:

 

Conclusions are drawn in this chapter. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(14)

Chapter 2    Theory of Planar Polarized Antennas 

2.1 Theory of Printed Antennas 

      Printed antennas are popular with antenna engineers for their low profile, for the  ease  with  which  they  can  be  configured  to  specialized  geometries,  integrated  with  other printed circuit and because of their low cost when produced in large quantities.  Based on these advantages, microstrip patch antennas are the most common form of  printed antennas and were conceived in the 1950s. Extensive investigation of patch  antennas  began  in  the  1970s  [6]  and  resulted  in  many  useful  design  configurations  [7]. 

      Figure  2‐1  shows  the  most  commonly  used  microstrip  antenna,  a  rectangular  patch being fed from a microstrip transmission line. The fringing fields act to extend  the effective length of the patch. Thus, the length of a half‐wave patch is slightly less  than a half wavelength in the dielectric substrate material. An approximate value for  the length of a resonant half‐wavelength patch is [8]        r d

L

ε

λ

λ

0

.

49

49

.

0

=

      Half‐wavelength patch      (2‐1) 

      The  region  between  the  conductors  acts  as  a  half‐wavelength  transmission‐line  cavity  that  is  open‐circuited  at  its  ends  and  the  electric  fields  associated  with  the  standing wave mode in the dielectric. In Fig. 2‐1‐(c), the fringing fields at the ends are  exposed  to  the  upper  half‐space  (Z>0)  and  are  responsible  for  the  radiation.  The  standing  wave  mode  with  a  half‐wavelength  separation  between  ends  leads  to  electric  fields  that  are  of  opposite  phase  on  the  left  and  right  halves.  The 

(15)

the patch has two radiating slot aperture with electric fields in the plane of the patch.  For the half‐wavelength patch case, the slots are equal in magnitude and phase. The  patch radiation is linearly polarization in the xz‐plane, that is, parallel to the electric  fields in the slots. 

      Pattern  computation  for  the  rectangular  patch  is  easily  performed  by  first  creating equivalent magnetic surface currents as shown in Fig. 2‐1‐(c). If we assume  the  thickness  of  the  dielectric  material  t  is  small,  the  far‐field  components  follow  from the Equations [3]:       

E

θ

=

E

0

cos

φ θ φ

f

(

,

)

      (2‐2a) 

( )

0

cos sin

,

E

φ

= −

E

θ

φ θ φ

f

              (2‐2b)  where           

( )

sin 2 sin sin

, cos sin cos

2 sin sin 2 W L f W β θ φ β θ φ β θ φ θ φ ⎡ ⎤ ⎢ ⎥ ⎣ ⎦ = ⎝ ⎠      (2‐2c)  And  β  is  the  usual  free‐space  phase  constant.  The  principal  plane  pattern  follows  from as             

( )

cos sin 2 E L F θ = ⎛β θ⎞ ⎝ ⎠      E‐plane,  φ=0 o              (2‐3a)         

( )

sin 2 sin cos sin 2 H W F W β θ θ β θ ⎛ ⎞ ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ =               H‐plane,  φ =90o      (2‐3b) 

The  patch  width  W  is  selected  to  give  the  proper  radiation  resistance  at  the  input,  often  50  Ω.  An  approximate  expression  for  the  input  impedance  of  a  resonant  edge‐fed patch is            2 2 90 1 r A r L Z W

ε

ε

⎛ ⎞ = Ω − ⎝ ⎠       Half‐wavelength patch      (2‐4) 

(16)

  r ε θ   Figure 2‐1 The rectangular microstrip patch antenna. 

(17)

      Techniques for feeding patches are summarized in Fig. 2‐2. They can be classified  into three groups: directly coupled, electromagnetically coupled, or aperture coupled.  The  direct  coaxial  probe  feed  illustrated  in  Fig.  2‐2‐(a)  is  simple  to  implement  by  extending the center conductor of the connector attached to the ground plane up to  the patch. Impedance can be adjusted by proper placement of the probe feed. The  probe  feed  with  a  gap  in  Fig.  2‐2‐(d)  has  the  advantages  of  coaxial  feeds.  Also,  the  gap capacitance partially cancels the probe inductance, permitting thicker substrates.      xp Δ   Figure 2‐2 Techniques for feeding microstrip patch antennas.   

(18)

      Bandwidth  is  often  ultimate  limiting  performance  parameter  and  can  be  found  from the following simple empirical formula for impedance bandwidth [9]:          ε λ ε t L W BW r r 2 1 77 . 3 − =     ,    <<1 λ t       (2‐5)  The  bandwidth  and  efficiency  of  a  patch  are  increased  by  increasing  substrate  thickness t and by loweringε . r

The  inherently  narrow  impedance  bandwidth  is  the  major  drawback  of  a  microstrip  patch  antenna.  Techniques  for  bandwidth  enhancement  have  been  intensively  studied  in  past  decades.  Several  methods  including  the  utilization  of  parasitic patch [10], thick substrates [11] and capacitively‐coupled feeding have been  suggested in literature. The stacked geometry resulting from the addition of parasitic  patches will enlarge the size and increase the complexity in array fabrication, which is  especially inconvenient for the coplanar case [12].   

To  broaden  the  bandwidth  in  rectangular  patch  antenna  structure,  the  capacitively‐coupled  feeding  method  is  often  chosen  as  the  feeding  topology.    Recently,  in  Fig.  2‐3,  a  feeding  approach  employing  an  L‐shaped  probe  has  been  proposed [13]. It is already known that the L‐probe has been applied successfully in  other  antenna  designs  [14].  The  L‐shaped  probe  is  an  excellent  feed  for  patch  antennas  with  a  thick  substrate  (thickness≈0.1λ ).  The  L‐probe  incorporated  with 0

the  radiating  patch  introduces  a  capacitance  suppressing  some  of  the  inductance  introduced  by  the  probe  itself.  With  the  use  of  a  rectangular  patch  fed  by  the  L–probe  [15],  the  bandwidth  and  average  gain  can  reach  35%  and  7.5dBi  respectively. 

(19)

       

  Figure 2‐3 Patch antenna fed by L‐shaped probe. 

2.2 Polarization 

      The perspective view of a certain polarized wave shows at a fixed instant of time  and  the  time  sequence  of  electric  field  vectors  as  the  wave  passes  through  a  fixed  plane.  There  are  some  important  special  cases  of  the  polarization  ellipse.  If  the  electric  field  vector  moves  back  and  forth  along  a  line,  it  is  said  to  be  linearly  polarized; as shown in Fig. 2‐4a. If the electric field vector remains constant in length  but  rotates  around  in  a  circular  path,  it  is  circular  polarized.  Rotation  at  radian  frequency  ω  is in one of two directions, referred to as the sense of rotation. If the  wave is traveling toward the observer and the vector rotates clockwise, it is left‐hand 

(20)

polarized. If it rotates counterclockwise, it is right‐hand polarized.          Figure 2‐4 Some wave polarization states.   

In  Fig.  2‐5a  shows  a  left‐hand  circular‐polarization  wave,  as  the  vector  pattern  translates  along  the  +Z‐axis,  the  electric  field  at  a  fixed  point  appears  to  rotate  clockwise in the xy‐plane. We can define the axial ratio (AR) as the major axis electric  field  component  to  that  along  the  minor  axis  of  the  polarization  ellipse  in  Fig.  2‐5.  The sign of AR is positive for right‐hand sense and negative for left‐hand sense. In Fig.  2‐5, the electric field for wave can be express as:    $ $ ( ) ( , , , ) ( x y j ) j t z E x y z t = x E +y E eφ e ϖ β− ur (2‐6)  In  Equation  (2‐6),  if  the  components  are  in‐phase  (φ=0),  the  net  vector  is  linearly  polarized.  If  Ex=0  or  Ey=0,  vertical  or  horizontal  linear  polarization  is  produced 

respectively.  If  Ex=  Ey  and φ = ± 90 ° ,  the  electromagnetic  wave  is  left‐hand  or 

right‐hand  circular  polarization  with  +90°  or  ‐  90°  phase  difference  respectively,  as  shown in Fig. 2‐5a and Fig. 2‐5b. 

(21)

1 0∠ ° 1 90∠ ° 1 90∠ ° 1 0∠ ° Figure 2‐5 The traveling circular‐polarization wave.   

2.3 Polarization of an antenna 

      The  commonly  used  antenna  structure  with  certain  polarization  state  is  microstrip  patch  antenna.  The  polarization  of  an  antenna  is  the  polarization  of  the  wave  radiated  in  a  given  direction  by  the  antenna  when  transmitting.  The  ideal  linear‐ polarization antenna can be product by inverted‐F antenna, microstrip patch  antenna  or monopole  antenna.  The  perfect  linear  polarization  antenna will  provide  linear  polarization  wave  in  one  direction.  When  the  antenna  operates  in  linear  polarization  state,  the  cross‐polarization  pattern  determines  the  performance.  On  the other hand, the proper circular polarization antenna is radiating two orthogonal  linear  polarized  wave  with  equal  power  and  90°  phase  difference.  The  antenna  structure with various polarization states has been discussed and applied in literature  [16‐17]. 

(22)

Chapter 3    Dual‐band Branch Line Coupler with       

        Wideband Switching Circuit 

In  this  chapter  we  will  propose  the  even‐odd  mode  method  to  design  the  dual‐band  BLC  and  combine  it  with  the  wideband  switching  circuit.  The  dual‐band  BLC  provides  two  equal  power  signals  with  90°  phase  difference  in  two  operating  bands. With the wideband switching circuit, we can easily control the output power  of  the  dual‐band  BLC  to  either  go  through  the  circuit  or  be  absorbed  by  50‐Ohm  termination from 2 GHz to 6 GHz. 

3.1 The Theory of Dual‐band BLC 

      The  dual‐band  BLC  can  provide  two  signals  with  equal  power  and  90°  phase  difference in both operating bands, and the method of analyzing the BLC operating in  two bands has been proposed in [5]. They present the composite right/left‐handed  (CRLH) transmission line (TL), which is the combination of an LH TL and an RH TL, to  design the dual‐band BLC. In Fig. 3‐1, the equivalent T‐model of the LH TL and RH TL  exhibit  phase  lead  and  phase  lag  respectively.  These  attributes  are  applied  to  the  design  of  a  dual‐band  λ/4  TL.  The  CRLH‐TL  is  manipulated  to  design  electrical  lengths  ±90°  at two arbitrary frequencies using this concept.   

(23)

In [5], they series two (RH) right‐hand TLs and LH (left‐hand) two order T‐model  circuits to design the circuit with 90°  phase shift in two operating bands respectively  and  through  the  telegrapher  equations  they  also  take 

C L ZOL

= 2   into  account  to 

calculate the solution set, L (inductor) and C (capacitor) in LH T‐model circuits and PR 

(length of the RH TLs). The design flow of the dual‐band BLC have been suggested in  [5] via providing a solution set of L and C values, and PR of the dual‐band BLC at two 

fixed  operating  frequencies.  Utilizing  the  designed  flow  proposed  in  [5]  to  design  a  BLC operated in WiFi and WiMAX applications, the solution set of C, L and PR of the 

dual‐band  BLC  we  get  are  1.53pF, 1.92nH, 27mm in  the  50‐Ohm  branches  and  2.19pF, 1.34nH, 27mm in the 35‐Ohm branches. Then we found the solution sets we  got can not operate properly in lower WiFi band. To solve the problem and explain  this  phenomenon,  the  different  method  of  the  even‐odd  mode  analysis  method  is  utilized  in  this  chapter  so  that  we  can  also  get  a  solution  set  L,  C  and  PR  of  the 

dual‐band  BLC  operated  in  WiFi  and  WiMAX  applications.  The  even‐mode  and  odd‐mode  circuits  are  shown  in  Fig.  3‐2,  including  the  circuit  schematic  of  the  equivalent type and the practical type, for solving the L and C values and PR of the 

50‐Ohm branch. The odd‐mode ABCD matrix of the equivalent circuit, shown in Fig.  3‐2(a),  can  be  formed  by  multiplying  the  three  matrices  of  each  cascading  component and written as  ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ − ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ − = ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ − 1 0 1 1 0 1 1 1 c d j b a j D C B A o F odd (3-1) ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ = ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ − 1 0 1 1 0 1 1 2 c d j b a j D C B A o F odd (3-2) where  +90°  phase  difference  (∠P3−∠P4)  is  in  the  first  band  (F1)  and  ‐90°  phase 

difference (∠P3−∠P4) is in the second band (F2) respectively. By multiplying the three 

matrices of  each cascading component in the practical circuit in Fig. 3‐2(b), we can  get 

(24)

⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ = ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ − 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 o o o F odd c d Y b a Y D C B A (3-3)   ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ = ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ − 1 0 1 1 0 1 2 2 2 2 o o o F odd c d Y b a Y D C B A (3-4) where the definition of the C in ABCD matrix is I/V and it’s can be considered as the  admittance of Yo. And the Yo1 and Yo2 are obtained in F1 and F2 operation respectively.   

) tan( ] 1 [ 1 2 ) tan( ] 1 2 [ ] 1 [ 50 1 50 50 2 1 50 1 50 50 50 2 1 50 1 50 50 2 1 50 50 2 1 50 1 50 0 1 R OR R R o P C L C Z C L P C L C L C Z j Y

β

ω

ω

ω

β

ω

ω

ω

− + − − + − =         (3-5) ) tan( ] 1 [ 1 2 ) tan( ] 1 2 [ ] 1 [ 50 2 50 50 2 2 50 2 50 50 50 2 2 50 2 50 50 2 2 50 50 2 2 50 2 50 2 R OR R OR o P C L C Z C L P C L C L C Z j Y

β

ω

ω

ω

β

ω

ω

ω

− + − − + − =         (3-6)

And  ω,  C,  L,  PR  and  ZOR  is  the  operating  frequency,  capacitance,  inductor  and  the 

length  of  RH  TL  and  characteristic  of  RH  TL  impedance  respectively  while  the  subscript 50 is the 50‐Ohm branch. After comparing the formulations resulting from  the  equivalent  circuit  and  the  practical  circuit,  Equation  (3‐3)  and  (3‐4)  should  be  equal to Equation (3‐1) and (3‐2) and we can therefore get      j P C L C Z C L P C L C L C Z j R R R R =− − + − − + − ) tan( ] 1 [ 1 2 ) tan( ] 1 2 [ ] 1 [ 50 1 50 50 2 1 50 1 50 0 50 50 2 1 50 1 50 50 2 1 50 50 2 1 50 1 50 0

β

ω

ω

ω

β

ω

ω

ω

        (3-7)          j P C L C Z C L P C L C L C Z j R R R R = − + − − + − ) tan( ] 1 [ 1 2 ) tan( ] 1 2 [ ] 1 [ 50 2 50 50 2 2 50 2 50 0 50 50 2 2 50 2 50 50 2 2 50 50 2 2 50 2 50 0

β

ω

ω

ω

β

ω

ω

ω

        (3-8) 

In  the  same  manner,  the  even‐mode  ABCD  matrix  in  the  form  of  equivalent  circuit  can be written by multiplying the three matrices of each cascading component as  ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ = ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ − 1 0 1 1 0 1 1 1 j d c b a j D C B A e F even (3-9)  ⎥ ⎤ ⎢ ⎡ ⎥ ⎤ ⎢ ⎡ ⎥ ⎤ ⎢ ⎡ = ⎥ ⎤ ⎢ ⎡A B 1 0 a b 1 0 (3-10)

(25)

Fig. 3‐2(b), can be written as  ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ = ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ − 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 e e e F even c d Y b a Y D C B A (3-11) ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ = ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ − 1 0 1 1 0 1 2 2 2 2 e e e F even c d Y b a Y D C B A (3-12) where  1 tan( ) ) tan( ) tan( 50 1 50 1 50 0 50 50 2 1 50 1 50 1 50 50 2 1 50 1 50 0 1 R R R R R e P C Z C L P P C L C Z j Y β ω ω β β ω ω + − − + − = (3-13) 1 tan( ) ) tan( ) tan( 50 2 50 2 50 0 50 50 2 2 50 2 50 2 50 50 2 2 50 2 50 0 2 R R R R R e P C Z C L P P C L C Z j Y

β

ω

ω

β

β

ω

ω

+ − − + − = (3-14)

and the Ye1 and Ye2 is obtained in F1 and F2 operation respectively. We can therefore 

get another two equations from Equation (3‐9) to Equation (3‐14) as j P C Z C L P P C L C Z j R R R R R = + − − + − ) tan( 1 ) tan( ) tan( 50 1 50 1 50 0 50 50 2 1 50 1 50 1 50 50 2 1 50 1 50 0 β ω ω β β ω ω (3-15) j P C Z C L P P C L C Z j R R R R R =− + − − + − ) tan( 1 ) tan( ) tan( 50 2 50 2 50 0 50 50 2 2 50 2 50 2 50 50 2 2 50 2 50 0

β

ω

ω

β

β

ω

ω

(3-16)   (a) 

(26)

  (b) 

Figure 3‐2 The even‐mode and odd‐mode circuit. (a) Equivalent circuit. (b) Practical  circuit.

Directly  solving  exact  values  of  the  three  variables  (C50,  L50  and  PL50)  from 

Equation  (3‐7),  (3‐8),  (3‐15)  and  (3‐16)  the  solution  set  of  C50,  L50  and  PL50  of  the 

dual‐band BLC we get are 1.59pF, 2.64nH and 24.7mm in the 50‐Ohm branches. The  same analysis sequence can be applied to find the solution set of C35, L35 and PL35 and 

we got 2.28pF, 1.85nH and 24.7mm in 35‐Ohm branches. To exactly describe the  properties of the T‐model circuit, the ABCD matrix of the T‐model circuit must equal  to the ABCD matrix of the transmission line with phase shift  θL  and characteristic  impedance ZOT, so that we can got  2 2

1

2

C

C

L

Z

OT

ω

=

        (3-17)          ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ − − ⋅ = LC LC L 2 2 1 1 2 arctan ω ω θ         (3-18)  In  equation  (3‐17),  the  ZOT  is  depend  on  operating  frequency  and  the  21 2

C

(27)

seriously in low frequency. Thus the  C L ZOL ⋅ = 2   derived by telegrapher equation in  [5] can describe the circuit in high frequency but not in low frequency.    In Fig. 3‐3, a testing circuit schematic is setting to observe the properties of the  two order T‐model circuits solved by the method proposed in [5] and the even‐odd  mode method proposed in this chapter individually and verify the circuits designed  by two different analysis methods can absolutely work or not. In Fig. 3‐3, one of the  ports  of  the  two‐order  T‐model  circuits  is  connects  to  a  termination  ZOR  and  we 

observe  the  return  loss  at  the  other  port  of  the  testing  circuit.  In  Fig.  3‐4,  the  ST1 

curve is referring to the return loss of the testing circuit in which the L50 and C50 are 

obtained by the design flow proposed in [5] and ST2 curve is referring to the return 

loss of the testing circuit in which the L50 and C50 are solved by our even‐odd mode 

analysis method. At 2.45GHz, the ST1 is about ‐6.7dB which is larger than ‐10dB and 

the ST2 is about ‐74dB. The smaller the dB value of the return loss is, the two order 

T‐model  circuits  can  further  considered  as  a  transmission  line  with  phase  shift  θ  L

and  characteristic  impedance  ZOT  (ZOT  is  very  close  to  ZOR  in  two  operating 

frequencies). So the solution set of the L, C and PR in the dual‐band hybrid solved by 

the  designed  flow  proposed  in  [5]  can  not  work  well  in  lower  WiFi  band.  By  increasing  the  order  of  the  T‐model  circuit  to  three  the  return  loss  of  the  T‐model  circuit designed by the method proposed in [5] can be small than ‐10dB at 2.45GHz,  as shown in Fig. 3‐4 ST3 curve, but we can just use the two order T‐model circuits to 

achieve the same goal. Because the L and C value of the lump‐elements are slightly  various  with  frequency,  we  make  some  adjustment  to  let  the  dual‐band  BLC  work  properly at WiFi and WiMAX operations. The practical C, L and PR of the dual‐band 

BLC are 1.5 pF, 1.6 nH and 21.55 mm in the 35‐Ohm branches, and 1.2 pF, 1.8 nH and  21.55 mm in the 50‐Ohm branches, as shown in Table 3‐1. Consequently, through our 

(28)

eve the  sect Ta n‐odd mod dual‐band  tion 3.3.  O F able 3‐1 

T

he e method t BLC  can  p Observation Por Fig Figure 3‐4 Th e 

D

IMENSIO P (mm C(pF o design th properly  wo C rt ure 3‐3 The he simulate ON AND 

LC

  m)  )  e dual‐band ork  at  both

C L C e testing circ ed return los

C

 

V

ALUES 

W

BLC

.    Zo = 35 21.5 1.5 d BLC with t h  operating C C L cuit schema ss of the tes

W

I

MPLEM ohm   5  5  two order T g  band  as  ZOR Termination atic.  sting circuit ENT IN THE Zo = 50ohm 21.5  1.2  T‐model circ shown  in  n     ts.   

D

UAL‐

B

AN m

 

  cuits,  next  ND 

(29)

3.2 Design of Wideband Switching Circuit 

An  RF  choke  circuit  is  usually  implemented  in  order  to  block  the  RF  signals  and  make the circuit operation correctly. The conventional circuit of RF choke is shown in  Fig. 3‐5a. If the power is incident into RF port 1, because the quarter‐wavelength TL is  a narrow‐band element operating in single band, and can be considered a very high  inductive impedance, the power will not travel to DC port and be received at RF port  2. However, the inductor must be kept in the high impedance state in the dual‐bands  we desire to block the RF signal and provide a path for DC bias. As a result, the circuit  of wideband RF choke is sketched as a solution in Fig. 3‐5b. As shown in Fig. 3‐5b, the  power is incident from the RF port1, and there is only little leaky power traveling to  DC port because of the high inductive impedance Ls. Most power will therefore travel  to RF port 2. Based on this concept, we design a wideband switching circuit as shown  in Fig. 3‐6. By changing the state of pin diodes, we can control the power travels to    either RF2 port or 50Ω  termination. As the D1 is at “ON” state, D2 is at “OFF” state  and  the  power  incident  from  RF1,  the  power  cannot  travel  to  RF2.  As  the  D1  is  at  “OFF” state, D2 is at “ON” state and the power incident from RF1, most of the power  will travel to RF2. The final chosen values of capacitor, inductor and resistor are 66nH,  30pF and 50Ω, respectively. 

(30)

  Figure 3‐5 The schematic circuit of RF choke. 

(31)

3.3 Simulation and Measurement Results 

      In this section, we will combine the dual‐band BLC and the wideband switching  circuit.  The circuit  schematic  of  the  combination  circuit  is  shown  in  Fig.  3‐7.  As  the  power is incident from Port1 and wideband switching circuit (1) and circuit (2) in Fig.  3‐7 is at “Through” state and “Termination” state, only Port2 have output power. As  the  power  is  incident  from  Port1  and  wideband  switching  circuit  (1)  and  circuit  (2)  are  at  “Through”  state,  the  power  at  Port2  and  Port3  is  equal  and  the  phase  difference  between  two  ports  is  90°.  In  Table  3‐2,  we  list  four  operating  senses  resulting from the combination of the dual‐band BLC and wideband switching circuit.   

We utilized HFSS to simulate the dual‐band BLC and the simulated performances  of Case 2 and Case 4 in Table 3‐2 are shown In Fig. 3‐8 and Fig. 3‐9. From Fig 3‐8 and  Fig  3‐9,  the  power  difference  between  two  output  ports  of  the  BLC  is  0.47  dB  and  0.52 dB respectively in the center frequency of WiFi and WiMAX operation in Case 2  state. Moreover, the simulated angle difference between two output ports is 84 deg  and  ‐86  deg  in  center  frequency  of  WiFi  and  WiMAX  operation  in  Case  2  state,  respectively as shown in Fig.3‐10. 

The measured performances of Case 2 and Case 4 in Table 3‐2 are shown In Fig.  3‐11  and  Fig.  3‐12.  In  Fig.  3‐11  and  Fig.  3‐12,  we  find  the  bandwidth  and  the  two  equal‐power branches with 90° phase difference of this circuit are good for WiFi and  WiMAX applications. From Fig 3‐11 and Fig 3‐12, the power difference between two  output ports of the BLC is 0.69 dB and 0.77 dB respectively in the center frequency of  WiFi and WiMAX operation in Case 2 state. Moreover, the measured angle difference  between  two  output  ports  is  83  deg  and  ‐98  deg  in  center  frequency  of  WiFi  and  WiMAX operation in Case 2 state, respectively as shown in Fig. 3‐13. Because of the  value  deviation  of  lumped  elements  and  the  soldering  effect,  the  experimental 

(32)

results  are  slightly  different  from  the  simulation  results.  Fortunately,  the  measured  bandwidth in each operating band is about 200MHz, so it is still feasible for covering  each  of  the  required  bandwidth.  From  Fig.  3‐8  to  Fig.  13,  the  two  output  power  in  WiMAX operation are lower than the two output power in WiFi operation. It’s caused  by  the  wavelength  in  WiMAX  operation  is  shorter  than  the  wavelength  in  WiFi  operation, so the discontinuity area is increased and may affect the performance in  WiMAX operation.            Figure 3‐7 Combination of the dual‐band BLC and two wideband switching circuits.   

Table 3‐2 

T

HE 

O

PERATING 

S

ENSE OF 

F

OUR 

S

TATES OF 

C

OMBINATION OF THE 

D

UAL‐

B

AND 

BLC

 AND 

T

WO 

W

IDEBAND 

S

WITHCING 

C

IRCUITS.   

  Intput  Switching circuit (1) Switching circuit (2) Output 

(33)

Figure 3‐8 The sim (a) (b) W mulated resu   WiFi opera WiMAX oper ults of the d ation.  ration.  dual‐band BBLC in Case      2 state. 

(34)

(a) (b) W   WiFi opera WiMAX oper ation.  ration.     

(35)

Figure 3‐10 The (a) (b) W e simulated   WiFi opera   WiMAX oper angle differ ation.  ration.  rence of thee dual‐band     d BLC. 

(36)

(a) (b) W WiFi opera WiMAX ope ation.  ration.       

(37)

Figgure 3‐12    Measured s with two  (a) (b) W scattering p wideband s   WiFi opera WiMAX ope parameters  switching ci ation.  ration.  of combina rcuits in Ca tion of the  se 4 state.      dual‐band BLC 

(38)

  (a) WiFi operation 

(39)

Chapter 4    Dual‐band Patch Antenna 

     

In  this  chapter,  we  will  propose  a  square  patch  antenna  fed  by  two  L‐shaped  probe with four slots. The two L‐shaped probes can effectively reduce the coupling  effect between two ports. Moreover, the square patch with four slots can make the  structure of the antenna symmetric and provide dual‐band operation.

 

4.1 Antenna Design 

The structure of slot is often adopted in the antenna design for either dual‐band  excitation  or  bandwidth  enhancement.  As  shown  in  Fig.  4‐1  [18],  they  propose  a  structure which consists of a rectangular patch loaded by two slots which are etched  close  to  the  radiating  edges  where  the  bandwidth  is  about  2%  in  two  operating  bands. In this structure, the slots are used to change the current of the TM30 mode 

on  the  rectangular  patch  and  make  the  current  distribution  become  more  similar  with the current distribution of TM10 and the current distribution in both operating 

band are shown in Fig. 4‐2. However, because the patch is of the rectangular shape,  it  is  hard  to  integrate  two  orthogonal  linear  polarization  modes  in  a  single  patch.  Moreover,  two  directly‐fed  coaxial  probes  in  a  single  patch  may  cause  serious  coupling as well. 

We  therefore  propose  a  square  patch  antenna  fed  by  the  L‐shaped  probe  with  four slots as shown in Fig. 4‐3. The two slots along the X‐direction are parallel to the  X‐direction  current  distribution  on  the  square  patch,  so  they  will  only  disturb  the  X‐direction current distribution slightly. Because it is a symmetric structure, we can  therefore  utilize  two  L‐shaped  probes  feeding  in  orthogonal  directions.  This  technique  allows  one  square  patch  to  set  up  two  L‐shaped  probes  along  X  and  Y  direction for producing two linear polarizations in a single patch and will not cause 

(40)

serious coupling effect as well. The geometric size of AH, AG, Lp, Pw, SL, SG, Sw we  implemented  is  3mm,  0.5mm,  12.5mm,  47mm,  32.5mm,  2mm  and  0.6mm  respectively. 

  Figure 4‐1 The probe‐fed patch antenna with a pair of slots. 

(41)

    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 Sl ot Sl o t X Y Pw SL Lp AH AG Sw SG

(42)

gain diffe size reas   n are 2.57 % erent from    of  the  L‐s sons make t   (a) T % and 8.7 d the simulat haped  prob the patch m The simulat Bi at 3.5GH ted results. bes  and  the may not be f

ion result o

z, respectiv It may be m e  gap  betw fabricated in of the dual‐b vely. The me mainly beca ween  the  L‐ n the symm band anten easured res use of the d ‐shaped  pro metric mann na in WiFi b sults are slig deviation of obe.  The  ab er.    band.  ghtly  f the  bove 

(43)

(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 

(44)

-20 -15 -10 -5 0 5 10 45 -135 90 -90 135 -45 180 0 -20 -15 -10 -5 0 5 10 45 -135 90 -90 135 -45 180 0                     (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

(45)

-20 -15 -10 -5 0 5 10 45 -135 90 -90 135 -45 180 0 -20 -15 -10 -5 0 5 10 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 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

(46)

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 

(47)

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.     

(48)

Table 5‐1 

S

TATUTES OF THE 

D

UAL‐

B

AND 

A

NTENNA 

S

TRUCTURE. 

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. 

(49)

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 A2 respectively, 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  of  SANT.  And  the  reflected  power  at  Px  and  Py in  Fig.  5‐1  can  be  obtained  by  the  following equation       

[

]

=

=

2 1 22 12 21 11 2 1 2 1

A

A

S

S

S

S

A

A

S

b

b

ANT       (5‐1) 

where  b1  and  b2  is  the  quantity  of  reflected  power  at  Px  and  Py respectively.  Therefore, the normalized power actually radiated by the dual‐band patch antenna is          2 2 2 1 2 2 2 1

A

b

b

A

P

P

P

i ANTi ANTi

=

=

+

      (5‐2) 

where  the  Pi  is  the  input  power  at  port  1  or  port  4  and  the  PANTi  is  the  power 

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.   

(50)

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. 

(51)

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. 

(52)

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. 

(53)

-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) 2.45GHz.                                  (b) 3.5GHz  Figure 5‐5 The simulated radiation patterns in Case 1. 

Linear Polarization E‐plane

-Co‐    -Cross

Linear Polarization E‐plane

(54)

   

 

    (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.     

(55)

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 

(56)

(a) (b) W   WiFi opera WiMAX ope   ation.  ration.     

(57)

-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

(58)

-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. 

Linear Polarization E‐plane

-Co‐    -Cross

Linear Polarization E‐plane

(59)

-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) Measured circular polarization radiation pattern at 2.45GHz.                      (b) Measured circular polarization radiation pattern at 3.5GHz  Figure 5‐11 The measured radiation patterns in Case 2 state.    Circular Polarization - Gain Circular Polarization - Gain

(60)

-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) Measured circular polarization radiation pattern at 2.45GHz.                                (b) Measured circular polarization radiation pattern at 3.5GHz.  Circular Polarization - Gain Circular Polarization - Gain

(61)

  (a) 2.45GHz. 

  (b) 3.5GHz. 

(62)

 

Table 5‐2 

T

HE 

M

EASURED 

P

ERFORMANCES OF THE 

D

UAL‐

B

AND 

A

NTENNA 

S

TRUCTURE.    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                        

(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. 

數據

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 

參考文獻

相關文件

For the proposed algorithm, we establish a global convergence estimate in terms of the objective value, and moreover present a dual application to the standard SCLP, which leads to

Holographic dual to a chiral 2D CFT, with the same left central charge as in warped AdS/CFT, and non-vanishing left- and right-moving temperatures.. Provide another novel support to

For the proposed algorithm, we establish its convergence properties, and also present a dual application to the SCLP, leading to an exponential multiplier method which is shown

◦ Disallow tasks in the production prio rity band to preempt one another.... Jobs

ˆ If the dual CD method reaches the iteration limit and primal Newton is called, we see that the number of Newton iterations needed is generally smaller than if the Newton method

學校需確保計算器讀數只包括特許協議所涵蓋的版權印刷作品

If the error is in the acceptance range, it means we don’t have to do extra support to achieve what the commander wishes for the battle result; In another hand, if the error ( E

Abstract—We propose a multi-segment approximation method to design a CMOS current-mode hyperbolic tangent sigmoid function with high accuracy and wide input dynamic range.. The