應用於FR1頻段基站設備之寬頻雙極化貼片天線陣列設計

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曾立恩(Li-En Tzeng) 查詢紙本館藏

畢業系所

電機工程學系

論文名稱

應用於FR1頻段基站設備之寬頻雙極化貼片天線陣列設計
(Design of Broadband Dual-Polarization Patch Antenna Array for FR1- Band Base Station Applications)

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摘要(中)

本論文提出應用於FR1(Frequency Range 1) 頻段基站設備之寬頻雙極化貼片天線陣列設計，可提供5G NR (New Radio)之n77至n79頻段(3.3 GHz-5 GHz) 行動通訊應用。天線以交叉之微帶線饋入使其有雙極化特性，並在天線金屬上挖出槽孔使其具有寬頻之效果。設計完成後以2 × 2的方式作排列，天線單元間距為中心頻率(4.2 GHz)下之0.85個自由空間波長(0.85λ0)。本論文設計之單一基站天線及天線陣列置於160 × 276 × 1 mm3尺寸之反射板上並距離15 mm(0.21λ0)，使其獲得單向輻射的特性。而論文中所使用的板材分為兩種，其一為低成本的FR4介質板，其二為低介質損耗之NGP-170DR板材。饋入的方式在兩個極化中皆使用1分4之威爾金森功率分配器，使天線陣列操作方式為一饋入結構產生一極化方向。
量測單一天線之結果顯示，基站天線整體結構尺寸為160 × 276 × 16.8 mm3，天線基板尺寸為32.5 × 32.5 × 0.8 mm3(0.45λ0×0.45λ0×0.01λ0)，二埠量測頻寬分別為47.28 % 與46.66 %，0度方向量測增益為6.41~8.51 dBi，隔離度在所需頻段皆大於16 dB以上且具有高指向性；量測天線陣列之結果顯示，基站之天線陣列部分結構尺寸為160 × 276 × 16.8 mm3，單元天線尺寸為34.5 × 34.5 × 0.8 mm3(0.48λ0×0.48λ0×0.01λ0)，二埠量測頻寬分別為48.64 % 與51.39 %，0度方向量測增益為9.42~13.36 dBi，隔離度在所需頻段皆大於16 dB以上且具有高指向性。

摘要(英)

This thesis proposes a design of broadband dual-polarization patch antenna array for FR1 (Frequency Range 1) frequency band base station equipments, which provide 5G NR (New Radio) n77 to n79 frequency band (3.3 GHz-5.0 GHz) mobile communication applications. The proposed antenna was fed with crossed microstrip lines to obtain dual-polarization characteristics and was made of metal with slots to obtain broadband characteristics. Following the design of the single antenna, a 2 × 2 antenna array was also constructed with array spacing of 0.85 free-space wavelengths (0.85λ0) at the center frequency (4.2 GHz). The single base station antenna and antenna array were placed above a 160 × 276 × 1 mm3 reflector at a distance of 15 mm (0.21λ0) to achieve unidirectional radiation. There were two kinds of substrates used in the thesis: one was a low-cost FR4 substrate, and the other was an NGP-170DR substrate with a low dielectric loss. The feeding method is to use Wilkinson power dividers in both polarizations, with one feed in antenna array structure resulting in one polarization.
The proposed designs were realized with the antenna substrate of 32.5 × 32.5 × 0.8 mm3 (0.45λ0×0.45λ0×0.01λ0) in the base station of 160 × 276 × 16.8 mm3. The measurement results of the single antenna show that bandwidths of the two ports are 47.28 % and 46.66 %, the antenna gain in the broadside direction is 6.41~8.51 dBi, and the isolation is better than 16 dB in the required frequency band with high directivity. The measurement results of the antenna array (each antenna substrate size is 34.5×34.5×0.8 mm3 (0.48λ0×0.48λ0×0.01λ0)) show that the bandwidths of the two ports are 48.64 % and 51.39 %, the antenna gain in the broadside direction is 9.42~13.36 dBi, and the isolation is better than 16 dB in the required frequency band with high directivity.

關鍵字(中)

★ 寬頻
★ 雙極化
★ 貼片天線陣列

關鍵字(英)

★ broadband
★ dual-polarization
★ patch antenna array

論文目次

摘要 i
Abstract ii
誌謝 iii
目錄 iv
圖目錄 viii
表目錄 xiii
第一章序論 1
1-1 文獻回顧 1
1-2 研究背景與動機 4
1-3 章節介紹 5
第二章天線基礎理論 6
2-1 簡介 6
2-2 雙極化貼片天線及優化頻寬方式介紹 6
2-2-1 基本型貼片天線 6
2-2-2 雙極化天線 7
2-2-3 貼片天線優化頻寬方式 8
2-3 天線陣列理論簡介 9
2-4 天線反射板架構介紹 10
第三章 3.3 – 5.0 GHz頻段之基站挖槽式貼片天線設計 11
3-1 簡介 11
3-2 單一基站天線初期設計 14
3-2-1 初期設計 14
3-2-2 初期天線設計之參數分析與討論 18
3-2-3 天線電流分布圖及討論 20
3-3 單一基站天線優化頻寬及縮小尺寸設計主要演進流程 25
3-4 天線參數分析及設計理念討論 27
3-4-1 H型槽孔位置(h1)對天線之影響 27
3-4-2 H型槽孔位置(h2)對天線之影響 28
3-4-3 H型槽孔長度(m1)對天線之影響 29
3-4-4 H型槽孔寬度(m2)對天線之影響 30
3-4-5 H型槽孔寬度(n1)對天線之影響 31
3-4-6 H型槽孔長度(n2)對天線之影響 32
3-4-7 槽孔寬度(a)對天線之影響 33
3-4-8 槽孔寬度(b)對天線之影響 34
3-4-9 金屬寬度(j0)對天線之影響 35
3-4-10 T型槽孔寬度(o2)對天線之影響 36
3-4-11 Gamma型槽孔寬度(k1)對天線之影響 37
3-4-12 短路探針對天線之影響 38
3-4-13 金屬寬度(i)對天線之影響 40
3-4-14 微帶金屬寬度(p1)及長度(p2、p4)對天線之影響 41
3-5 天線電流分布圖 41
3-6 模擬與量測結果 45
3-7 結論分析 51
第四章 3.3 – 5.0 GHz頻段之基站挖槽式貼片天線陣列設計 52
4-1 簡介 52
4-2 基站天線陣列設計架構 52
4-3 基站天線陣列設計模擬結果 53
4-4 基站天線陣列設計之參數分析 57
4-5 結論分析 58
第五章 3.3 – 5.0 GHz頻段之基站挖槽式貼片天線陣列設計與威爾金森功率分配器 59
5-1 簡介 59
5-2 威爾金森功率分配器介紹及初期設計 59
5-2-1 威爾金森功率分配器介紹 59
5-2-2 威爾金森功率分配器初期設計結構 60
5-2-3 威爾金森功率分配器初期設計之模擬結果 61
5-3 初期設計之威爾金森功率分配器與基站挖槽式貼片天線陣列做結合 63
5-3-1天線陣列結構 63
5-3-2模擬結果及討論 65
5-4 改良設計之威爾金森功率分配器與基站挖槽式貼片天線陣列做結合 66
5-4-1改良設計之威爾金森功率分配器 66
5-4-2改良設計之威爾金森功率分配器模擬及量測結果 68
5-4-3功率分配器與天線陣列做結合及模擬量測結果 70
5-5結論分析 77
第六章結論 78
附錄一文獻[3]之1 × 4基站天線陣列設計 80
附錄二天線增益量測值分析與探討 87
附錄三第二組威爾金森功率分配器之量測及隔離度討論 90
附錄四天線半功率波束寬模擬及量測探討 93
參考文獻 98

參考文獻

[1] Q. Zhang and Y. Gao, "A Compact Broadband Dual-Polarized Antenna Array for Base Stations," IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol. 17, no. 6, pp. 1073-1076, June 2018.
[2] R. Lian, Z. Wang, Y. Yin, J. Wu and X. Song, "Design of a Low-Profile Dual-Polarized Stepped Slot Antenna Array for Base Station," IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol. 15, pp. 362-365, 2016.
[3] 邱棋顯，「應用於客戶終端設備之FR1頻段雙極化基站天線設計」，國立中央大學，碩士論文，2021年6月。
[4] X. Jiang, Z. Zhang, Z. Tian, Y. Li and Z. Feng, "A Low-Cost Dual-Polarized Array
Antenna Etched on a Single Substrate," IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol. 12, pp. 265-268, 2013.
[5] S. Gao, L. W. Li, M. S. Leong and T. S. Yeo, "A broad-band dual-polarized microstrip patch antenna with aperture coupling," IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 51, no. 4, pp. 898-900, April 2003.
[6] David M. Pozar, Microwave engineering, fourth edition, John Wiley &Sons, 2012.
[7] H. Huang, Y. Liu and S. Gong, "A Broadband Dual-Polarized Base Station Antenna With Sturdy Construction", IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol. 16, pp. 665-668, 2017.
[8] B. Peng, S. Li, J. Zhu, L. Deng and Y. Gao, "A Compact Wideband Dual-Polarized Slot Antenna With Five Resonances," IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol. 16, pp. 2366-2369, 2017.
[9] H. Huang, Y. Liu and S. Gong, "A Broadband Dual-Polarized Base Station Antenna With Anti-Interference Capability," IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol. 16, pp. 613-616, 2017.

指導教授

丘增杰(Tsen-Chieh Chiu)

審核日期

2022-7-29

推文