行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
適用於無線高速傳收系統之洩漏波天線
研究成果報告(精簡版)
計 畫 類 別 ： 個別型 計 畫 編 號 ： NSC 98-2221-E-009-035- 執 行 期 間 ： 98 年 08 月 01 日至 99 年 07 月 31 日 執 行 單 位 ： 國立交通大學電信工程學系（所） 計 畫 主 持 人 ： 林育德 計畫參與人員： 碩士班研究生-兼任助理人員：錢曉晴 碩士班研究生-兼任助理人員：秦健候 碩士班研究生-兼任助理人員：鄭漢維 報 告 附 件 ： 出席國際會議研究心得報告及發表論文 國際合作計畫研究心得報告 處 理 方 式 ： 本計畫可公開查詢中 華 民 國 99 年 10 月 29 日
行政院國家科學委員會補助專題研究計畫成果報告
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行政院國家科學委員會補助專題研究計畫成果報告
適用於無線 適用於無線適用於無線 適用於無線高速傳收系統之洩漏波天線高速傳收系統之洩漏波天線高速傳收系統之洩漏波天線 高速傳收系統之洩漏波天線 計劃編號：NSC 98-2221-E-009-035-(98N262) 執行期限：98/08/01~99/07/31 主持人 ： 林育德 交通大學電機系 教授 計劃參與人員： 鄭漢維、秦健候 一、 中中中中英英英文摘要英文摘要文摘要文摘要 (a) (a) (a) (a) 中文摘要中文摘要中文摘要中文摘要 在本報告中，我們呈現的主題為適用 於無線高速傳收系統之洩漏波天線，包含 了二種不同類型的天線，分別為：蕈狀結 構之複合左右手洩漏波天線以及圓極化背 接金屬共平面波導槽孔天線陣列。 在此，我們分別介紹此二種天線結構 的特性及應用如下: (一) 使用一分二功率分波器饋入蕈狀結 構之複合左右手洩漏波天線: 複合左右手傳輸線是近幾年非常熱門 的研究，其特殊性質，可用在洩漏波天線 上面。而傳統的洩漏波天線需要較複雜的 饋入電路以激發高階模，只能前向掃描， 但是複合左右手洩漏波天線具有從後向到 前向掃描能力，而且只需簡單和有效的饋 入結構。我們利用蕈狀結構來作為天線的 單元，並使用一分二功率分波器饋入天 線，並由遠場量測到主波束隨著頻率增 加，由後向輻射到前向輻射。 (二) 圓極化背接金屬共平面波導槽孔天 線陣列: 本文中所提出的圓極化天線陣列之 操作頻率設計在 12 GHz，並且為右 手圓極化天線。此陣列的 3dB 軸比頻寬約 為 11.4 GHz~12.4 GHz，符合直播衛星天 線的下行頻段。天線輻射場型在邊射方向 (broadside)會有建設性干涉，具有高輻射增 益、主波束集中之特性，適合作為直播衛 星系統的收發天線。 (b) 英英英英文摘要文摘要文摘要 文摘要
In this report, we presented two antenna designs: (1) mushroom structure for composite right/left handed leaky wave antenna, (2) circularly polarized slotted CBCPW antenna array with sequential rotation feeding method. In (1), the composite right/left handed leaky wave antenna is composed by the mushroom structure, and the angle of radiation rotates clockwise from -51 to 69 degree. In (2), according to the sequential rotation feeding method, a circularly polarized array can be composed of linearly polarized antennas. Therefore, we use the technique to produce the right-hand circularly polarization (RHCP) wave, and improve the aperture efficiency with six linearly polarized antennas.
(c) 關 鍵 詞關 鍵 詞關 鍵 詞關 鍵 詞 - 蕈 狀 結 構 (mushroom
structure)、複合左右手(composite right/left handed, CRLH)、特徵模態(eigenmode)、洩
2 (dispersion diagram) 圓 極 化 (circular polarization) 、 洩 漏 波 天 線 (leaky-wave antenna) 、 背 接 金 屬 共 平 面 波 導 (conductor-backed coplanar waveguide)、槽
孔天線(slotted antenna)、軸比頻寬(axial ratio bandwidth)、DBS。 二 二 二 二、、、研究方法、研究方法研究方法研究方法 a. 一分二功率分波器饋入蕈狀結構之複 合左右手洩漏波天線 (1)規格： 此天線所使用的材板為 RO 板，其規 格如下：介電常數(
ε
r)：3.55 損耗正切 (tanδ )：0.0027 導體金屬：銅(copper)， 7 10 88 . 5 × S/m 板材厚度：1.524mm。所 需操作頻段位於 5.6GHz~9.35GHz 。 (2)設計原理： 首先，先使用蕈狀結構為二維複合左 右手的電路單元，如圖 1。並由等效電路 模型和特徵模態得到其色散圖，如圖 2。 可得到結構可以輻射的頻率，但是用特徵 模態求出的模態 1，無法支持背向的洩漏 波，我們會透過遠場場型的量測，驗證背 向洩漏波，是可以存在的。 (3) 天線結構： 圖 3 為一分二功率分波器饋入蕈狀結 構之複合左右手洩漏波天線，我們在 x 方 向擺放八個，y 方向擺放十六個，使得天 線能量可以洩漏完，並使用一分二功率分 波器饋入天線。 (4)量測、模擬結果： 此報告中，使用 Agilent E5071A 量測 頻率響應，HP 8530A 量測天線的場型。天 線量測的頻率響應分別如圖 4 所示，其頻 寬為 5.6GHz~9.35GHz，另外於 5.6GHz、 6.0GHz 、 6.4GHz 、 7.0GHz 、 7.5GHz 、 7.9GHz、8.5GHz、9.3GHz 量測的yz 平面 遠場場型，整理在圖 5 所示，可看出複合 左右手洩漏波天線具有從後向到前向掃描 能力，掃描角度為 51− 順時針轉到69。 由上述結果，由主波束輻射角，反推相位 常數，畫出色散圖如圖 6，結構確實可存 在背向的洩漏波。 b. 圓極化背接金屬共平面波導槽孔天線 陣列 (1)規格： 本報告中所使用的板材為 RO4003 板，其規格如下：介電常數(ε
r)：3.55 損 耗正切(tanδ )：0.0027 導體金屬：銅 (copper)， 7 10 88 . 5 × S/m 板材厚度： 1.524mm。所需操作頻段位於 12GHz。 (2)設計原理： 首先，透過全波分析(SDA)可以求得 背接金屬共平面波導的傳播常數並了解其 洩漏波的特性。在背接金屬共平面波導的 上層金屬蝕刻矩形槽孔，透過適當安排槽 孔的位置，可以使所有槽孔被等相位激 發，在邊射方向會有建設性干涉，並藉由 調整槽孔的旋轉角度去完成阻抗匹配。於 是我們設計出一個線性極化的高增益天 線，稱之為背接金屬共平面波導槽孔天線。 運用序列轉動饋入法的概念，我們適 當設計饋入電路與天線擺放方式使得六個 背接金屬共平面波導槽孔天線組成一個具 有圓極化效果的陣列。此圓極化天線陣列 具有高輻射增益、高效率的特性。 (3)天線結構： 首先，背接金屬共平面波導槽孔天線 結構如圖 7 所示，為高增益之線性極化天 線。接著，吾人利用序列轉動饋入法，以六個該線性極化天線構成具有圓極化效果 之天線陣列如圖 8 所示，稱之為六單元之 圓極化天線陣列。為了達成序列轉動饋入 法所需之相位，吾人設計出一個功率分波 器作為訊號饋入之用，如圖 9 所示。 (4)模擬與量測結果： 此報告中，使用 Agilent E5071A 量測 頻率響應、HP 8530A 量測天線的場型。模 擬與量測的頻率響應如圖 10 所示。量測的 右手圓極化場型，如圖 12、圖 13、圖 14 所示。而量測的左手圓極化場型，則如圖 15、圖 16、圖 17 所示。 三 三 三 三、、、結論、結論結論結論 在本報告中，我們呈現的主題為寬適用於 無線高速傳收系統之洩漏波天線，。報告 中，包含了兩種不同類型的天線，其結論 分別敘述如下： a. 一分二功率分波器饋入蕈狀結構之複 合左右手洩漏波天線： 本報告利用蕈狀結構來當作二維複合 左右手傳輸線的電路單元，並運用特徵模 態以及等校電路模型來找出結構的色散 圖，並利用可輻射的頻段，組成複合左右 手洩漏波天線，具有從後向到前向掃描能 力， b. 圓極化背接金屬共平面波導槽孔天線 陣列: 本報告利用序列轉動饋入法的方式， 來達到圓極化的效果，其天線陣列無論在 S 參數頻率響應以及輻射場型上都具有優 秀的效能，並且擁有極佳的圓極化效果， 有利於使用在 DBS 系統上。的效能，並且 擁有極佳的圓極化效果，有利於使用在 DBS 系統上。 四、、、圖表、圖表圖表圖表 圖 1、蕈狀結構示意圖 圖 2、等效電路和特徵模態得到蕈狀結構 的色散圖 圖 3、一分二功率分波器饋入蕈狀結構之 複合左右手洩漏波天線 圖 4、天線頻率響應
4 z y -15 -10 -5 0 5 10 15 -15 -10 -5 0 5 10 15 -15 -10 -5 0 5 10 15 -15 -10 -5 0 5 10 15 -180 -150 -120 -90 -60 -30 0 30 60 90 120 150 5.6GHz 6.0GHz 6.4GHz 7.0GHz 7.9GHz 8.5GHz 9.3GHz z 圖 5、yz 平面遠場量測場型(theta 極化) 圖 6、實際量測得到的色散圖中 Γ-X 段 圖 7、背接金屬共平面波導槽孔天線 圖 8、六單元之圓極化天線陣列 圖 9、功率分波器 圖 10、六單元之圓極化天線陣列 S 參數量 測圖
圖 11、六單元之圓極化天線陣列軸比 (Axial Ratio)隨頻率的變化 圖 12、12GHz phi=0°平面之右手圓極化場 型圖 圖 13、12GHz phi=60°平面之右手圓極化 場型圖 圖 14、12GHz phi=120°平面之右手圓極化 場型圖 圖 15、12GHz phi=0°平面之左手圓極化場 型圖 圖 16、12GHz phi=60°平面之左手圓極化 場型圖
6 圖 17、12GHz phi=120°平面之左手圓極化 場型圖 五 五 五 五、、、參考文獻、參考文獻參考文獻參考文獻
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行政院國家科學委員會補助國內專家學者出席國際學術會議報告
報 告 人 姓 名 林育德 服務機構 及職 稱 國立交通大學教授 時間 會議 地點 2009/08/18-2009/08/21 Moscow, Russia 本會核定 補助文號 NSC 98-2221-E-009-035-(98N262) 會 議 名 稱 (中文) 2009 電磁研究研討會(英文) 2009 Progress In Electromagnetics Research Symposium
發表論文題目
(中文) 圓極化背接金屬共平面波導槽孔天線陣列
(英文) Circularly Polarized Slotted Conductor-Backed Coplanar Waveguide Antenna Array with Sequentially Rotated Feeding Structure
一、
參加會議經過：本次
Progress In Electromagnetics Research Symposium在俄羅斯莫斯
科舉行，共有數百人參加。國內也有許多學術界及產業界人士前往。我的論文是
安排在 8 月 19 日下午，於
Antenna Theory and Radiation 2之
session發表。在發表論
文後，並與在場各國研究人員討論本人論文中之有趣發現，並相互交換對此領域
之研究交換心得
二、
與會心得：這次的大會的確收穫良多，除了瞭解各研究機構、大學、公司最
近一年來的最新研究成果之外，並可親聆一些大師的講演。此外，透過會議中的
討論，可以從他人的意見中了解自己研究上的缺失與價值。由於無線通訊產業近
來發展一日千里，有各種新的標準及應用不斷被提出。做為無線通訊關鍵元件的
天線，也隨之而有不同的新設計要求，如多頻天線，整合型天線等，參加此次會
議亦可看出這些新的產業趨勢，對未來之研究大有助益。
三、
考察參觀活動(無是項活動者省略)
國際合作出國報告
計畫名稱: 適用於無線高速傳收系統之洩漏波天線
補助編號:
NSC 98-2221-E-009-035-(98N262)撰稿人: 國立交通大學 電信系 林育德
合作對象: 日本滋賀 立命館大學 北澤敏秀(Kitazawa Toshihide)教授
訪問時間: 2010/07/14 – 2010/07/19
此次赴日本滋賀立命館大學，為例行之研究成果及進度之互相交換意
見及討論。訪問期間除了與北澤敏秀(Kitazawa Toshihide)教授討論
Substrate Integrated Waveguide Antenna Arrays 之研究方法外，並指導
其學生 Hiroshi Terada 有關微帶洩漏波之饋入結構及 S-parameter
98 年度專題研究計畫研究成果彙整表
計畫主持人：林育德 計畫編號： 98-2221-E-009-035-計畫名稱：適用於無線高速傳收系統之洩漏波天線 量化 成果項目 實際已達成 數（被接受 或已發表） 預期總達成 數(含實際已 達成數) 本計畫實 際貢獻百 分比 單位 備 註 （ 質 化 說 明：如 數 個 計 畫 共 同 成 果、成 果 列 為 該 期 刊 之 封 面 故 事 ... 等） 期刊論文 0 0 100% 研究報告/技術報告 0 0 100% 研討會論文 0 0 100% 篇 論文著作 專書 0 0 100% 申請中件數 0 0 100% 專利 已獲得件數 0 0 100% 件 件數 0 0 100% 件 技術移轉 權利金 0 0 100% 千元 碩士生 3 3 100% 博士生 0 0 100% 博士後研究員 0 0 100% 國內 參與計畫人力 （本國籍） 專任助理 0 0 100% 人次 期刊論文 0 0 100% 研究報告/技術報告 0 0 100% 研討會論文 0 0 100% 篇 論文著作 專書 0 0 100% 章/本 申請中件數 0 0 100% 專利 已獲得件數 0 0 100% 件 件數 0 0 100% 件 技術移轉 權利金 0 0 100% 千元 碩士生 0 0 100% 博士生 0 0 100% 博士後研究員 0 0 100% 國外 參與計畫人力 （外國籍） 專任助理 0 0 100% 人次其他成果
