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系統識別號 U0002-2308201817015000
中文論文名稱 基於基板整合波導之極化可切換天線設計
英文論文名稱 Novel Switchable Circular Polarized Antenna Based on Substrate Integrated Waveguide
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 電機工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Electrical Engineering
學年度 106
學期 2
出版年 107
研究生中文姓名 高毓廷
研究生英文姓名 Yu-Ting Kao
學號 605440014
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2018-07-05
論文頁數 82頁
口試委員 指導教授-紀俞任
委員-李慶烈
委員-甘堯江
中文關鍵字 基板整合波導  圓極化  極化可切換  天線 
英文關鍵字 Polarization Switchable  Circular Polarization  Antenna  Substrate Integrated Waveguide 
學科別分類 學科別應用科學電機及電子
中文摘要 隨著無線通信迅速的快速發展,自適應或可重置天線更能依環境的變化,達到最高的無線通信性能。因此,可重置天線,譬如頻率可切換天線、場型可調天線、極化可切換天線,在近幾年已引起許多關注。頻率可切換天線可以避免頻率偏差,或者將其頻段改變為通訊系統所需要的頻段。場型可切換天線能依據不同的應用,將天線的輻射場型切換為全向性,或是指向性,亦或是將高指向性的輻射場型指向特定目標。極化可切換天線可以將天線波的極化改變為垂直極化、水平極化、右手圓極化或左手圓極化。這類型天線的優點是它可以消除多路徑干擾,或者通過頻率再利用使通道容量倍增。目前有許多文獻提出了極化可切換天線的設計。為了以印刷電路板的方式實現極化可切換天線,大部分天線結構都是基於微帶天線,訊號增益相對較低。因此本論文提出了一種基於基板整合波導結構的新型極化可切換天線。在本設計中,採用以切換Pin diode的ON/OFF狀態,改變基板整合波導的模態,實現天線極化可切換成右手圓極化或左手圓極化的平面式天線設計,而且也透過模擬分析驗證了所提出的設計。本文所提出的天線設計的其另一項優點是輻射特性對接地面的大小不敏感,小巧的體積及單端口設計使其更適合配置成陣列天線。
英文摘要 With the rapid progress in wireless communication, adaptive or reconfigurable antenna are required to meet the changing in environmental conditions to achieve the highest performance of wireless communication. Therefore, reconfigurable antennas like frequency switchable antennas, pattern reconfigurable antennas, or polarization switchable antennas have attract many attentions these years. A frequency switchable antenna can avoid frequency deviation, or change its frequency band to the desired communication system. A pattern reconfigurable antenna can change its radiation pattern to be omnidirectional or to be end-fire according to the applications, or steer the high directive radiation pattern to the target. A polarization switchable antenna can change its polarization of wave to vertical polarization, horizontal polarization, right-handed circular polarization, or left-handed circular polarization. The advantage of this type of antenna is that it can eliminate multipath fading, or double the system capacity through a frequency reuse. In the literature, there are many polarization reconfigurable antennas have been proposed. In order to realize the antenna using printed circuit board, most of the antenna structure are based on microstrip antenna, whose antenna gain is relatively low. In this paper, a novel polarization switchable antenna based on substrate integrated waveguide is presented. The polarization of the proposed design can be switched between right-handed circular polarization and left-handed circular polarization. The switching of different polarizations can be achieved by employing the PIN diodes and changing the ON/OFF state of it. The proposed design is also measured and simulated to validate the proposed concept. The radiation characteristic of the proposed design is not sensitive to the size of the ground plane, also, the compact and single port design makes it more suitable for array configuration.
論文目次 目錄
論文摘要………………………………………………………………………i
Abstract……………………………………………………………………….iii
目錄 vi
圖目錄 viii
表目錄 xiii
第一章、緒論 1
1-1. 研究動機 1
1-2. 文獻探討 2
1-3. 章節介紹 5
第二章、基板整合波導與圓極化天線設計概述 7
2-1. 圓極化理論 7
2-2. 基板整合波導概述 17
2-3. 可重置天線技巧 19
第三章、基板整合波導之圓極化可切換天線設計 22
3-1. SIW設計 22
3-2. SIW單邊耦合線性極化Patch設計 27
3-3. SIW電感式非對稱雙邊耦合圓極化天線設計 36
3-4. SIW電容式非對稱雙邊耦合圓極化天線設計 51
3-5. 模擬與實驗結果 58
第四章、改變波導模態實現極化切換之天線設計 61
4-1. SIW設計 61
4-2. 短路邊界條件對SIW模態影響之分析 63
4-3. 切換短路點實現極化可切換之天線設計 72
4-4. 模擬與實驗結果 76
第五章、結論 78
參考文獻 80

圖目錄
圖 2. 1電磁波之電場磁場分布圖 8
圖 2. 2線性極化示意圖 9
圖 2. 3右手圓極化示意圖 11
圖 2. 4右手橢圓極化示意圖 12
圖 2. 5左手圓極化示意圖 13
圖 2. 6左手橢圓極化示意圖 14
圖 2. 7天線輸入之相位差示意圖 15
圖 2. 8截角圓極化天線機制示意圖 15
圖 2. 9常見之圓極化PATCH天線激發方式 16
圖 2. 10基板整合波導(SIW)結構 18
圖 2. 11輸入端切換式可重置天線示意圖 19
圖 2. 12截角式圓極化可切換天線 20
圖 2. 13央挖槽式圓極化可切換天線 21
圖 3. 1 SIW設計 23
圖 3. 2 SIW之反射係數與S21 24
圖 3. 3簡化之SIW設計 25
圖 3. 4簡易SIW之反射係數與S21 26
圖 3. 5電容式耦合饋入示意圖 27
圖 3. 6電感式耦合饋入示意圖 28
圖 3. 7圓極化PATCH設計 29
圖 3. 8圓極化PATCH 反射係數與軸比 29
圖 3. 9結合SIW以電容式饋入PATCH之設計 30
圖 3. 10電容式饋入設計中,改變耦合間隙大小所帶來的反射係數影響 31
圖 3. 11結合SIW以電感式饋入PATCH之設計 32
圖 3. 12電感式饋入設計中,改變耦合間隙大小所帶來的反射係數影響 33
圖 3. 13偏右側之電感式饋入示意圖 34
圖 3. 14耦合間隙大小對於偏右側電感式饋入之影響 34
圖 3. 15距離為0.5MM時2.45GHZ的電場分布 35
圖 3. 16距離為3.5MM時2.52GHZ的電場分布 36
圖 3. 17電容式雙邊耦合式設計 37
圖 3. 18調整耦合間隙對電容式雙邊耦合式設計反射係數的影響 38
圖 3. 19 VIA縮減示意圖 39
圖 3. 20縮減VIA後的反射係數 40
圖 3. 21縮減面積示意圖 41
圖 3. 22縮減面積對反射係數之影響 41
圖 3. 23單側電感式饋入示意圖 43
圖 3. 24單側電感式耦合饋入之反射係數 44
圖 3. 25單側電感耦合式饋入 0DEG時之電場分布 44
圖 3. 26單側電感耦合式饋入 90DEG時之電場分布 45
圖 3. 27單側電感耦合式饋入 170DEG時之電場分布 45
圖 3. 28以電感造成不對稱饋入之設計(單位:MM) 46
圖 3. 29模擬結果之反射係數與軸比 47
圖 3. 30 直接接上微帶線結構後的反射係數與軸比 48
圖 3. 31完成匹配之天線結構(單位:MM) 48
圖 3. 32調整阻抗匹配後之結果 49
圖 3. 33 XZ平面之場形圖 49
圖 3. 34 YZ平面之場形圖 50
圖 3. 35 XY平面之場形圖 50
圖 3. 36電容式非對稱雙邊耦合圓極化天線設計 (單位:MM) 52
圖 3. 37 耦合處三角結構之設計(單位:MM) 53
圖 3. 38 電容式非對稱雙邊耦合圓極化天線之反射係數與軸比 53
圖 3. 39 MID_POST與阻抗之關係 54
圖 3. 40接上阻抗匹配線與傳輸線之天線結構(單位:MM) 55
圖 3. 41 接上微帶線結構後調整之耦合處三角結構之設計(單位:MM) 55
圖 3. 42阻抗匹配後之反射係數與軸比 56
圖 3. 43 XZ平面之場型圖 56
圖 3. 44 YZ平面之場型圖 57
圖 3. 45 XY平面之場型圖 57
圖 3. 46電感式非對稱耦合饋入天線之實際成品 58
圖 3. 47實際量測之反射係數 58
圖 3. 48電容式非對稱饋入天線之實際成品 59
圖 3. 49實際量測之反射係數 59
圖 4. 1中央分隔雙邊電感耦合式設計(單位:MM) 62
圖 4. 2 中央VIA與輸入端距離對阻抗造成之影響 63
圖 4. 3 相位切換之機制 64
圖 4. 4 切換用VIA之Y座標對阻抗匹配之影響 65
圖 4. 5 Y=72.5MM時的電場分布 65
圖 4. 6 Y=76.5MM時的電場分布 66
圖 4. 7 Y=80.5MM時的電場分布 66
圖 4. 8切換用VIA之X座標對阻抗匹配之影響 67
圖 4. 9 X=7.8MM時的電場分布 68
圖 4. 10 X=8.8MM時的電場分布 68
圖 4. 11 X=9.2MM時的電場分布 69
圖 4. 12 完成之雙邊耦合饋入式天線設計(單位:MM) 70
圖 4. 13阻抗匹配後之反射係數與軸比 70
圖 4. 14 YZ平面之場型圖 71
圖 4. 15 XZ平面之場型圖 71
圖 4. 16 XY平面之場型圖 72
圖 4. 17 可切換式結構示意圖 73
圖 4. 18 VIA切換機制示意圖 74
圖 4. 19電容值對阻抗匹配之影響 75
圖 4. 20 連接電容後之軸比 75
圖 4. 21 BIAS TEE示意圖 76
圖 4. 22天線完成實品 76
圖 4. 23實測所得之反射係數結果 77

表目錄
表 3. 1 SIW結構尺寸表 24
表 3. 2簡化SIW結構尺寸表 26
表 3. 3以電容式饋入設計尺寸表 31
表 3. 4電感式饋入設計尺寸表 33
表 3. 5電容式雙邊耦合饋入設計尺寸 38


參考文獻 參考文獻
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