臺灣博碩士論文加值系統

本論文提出可應用於低軌道衛星系統之圓極化天線設計，利用四層板的疊構、變形圓形平板天線、90 度相位延遲器及矩形微帶天線組成可操作在 K/Ka band之圓極化天線。利用 Via 的方式來調整 TM21 的下凹場型，使其可呈現指向性的輻射。阻抗頻寬操作於17.6~27.6/29~33.5 GHz，低頻與高頻的增益分別為 6.6/6.4 dBi，可滿足 K/Ka 雙頻段。第二章針對目前市面上無K / Ka band 的雙頻段濾波器，設計出雙饋入雙頻圓極化天線，使兩個頻段可以分開激發，對前端RF通信系統更好做設計應用。阻抗頻寬分別可操作在16.6~20.8 / 27.8~33.3 GHz，增益分別是7.3/7.1 dBi，可滿足K/Ka 雙頻段。 基於以上的基礎，設計一個 CPW 的陣列饋入網路，提出 2 × 2 的陣列雙頻圓極化天線。阻抗頻寬可操作於16.2~35 GHz，圓極化頻寬為17~19.5 GHz 及 26.2~28.3 GHz，低頻增益達 7 dBi，高頻增益達7 dBi，可滿足K/Ka 雙頻操作。

This paper proposes a circular polarization antenna design suitable for low Earth orbit satellite systems. It operates in the K/Ka bands, exhibits directional radiation, and features a four-layer stacked structure, a deformed circular patch antenna, a 90° phase shifter, and a rectangular microstrip antenna. Via are used to adjust the 2D pattern into directional radiation. In the second chapter, a dual-fed dual-frequency circular polarization antenna is designed to address the absence of dual-band filters in the K/Ka bands on the market. The impedance bandwidths can be operated in the range of 16.620.8 / 27.833.3 GHz, with gains of 7.3/7.1 dBi, respectively, meeting the requirements for dual-frequency operation in the K/Ka bands.Additionally, a CPW feeding network is designed for a 2x2 array dual-frequency circular polarization antenna. The impedance bandwidth ranges from 16.2 to 35 GHz, with circular polarization bandwidths of 17 to 19.5 GHz and 26.2 to 28.3 GHz. The antenna achieves gains of 7 dBi at low frequencies and 7 dBi at high frequencies, meeting the dual-frequency operation in the K/Ka bands for LEO applications.

文字目錄

頁次
中文摘要 i
英文摘要 ii
致謝 iii
文字目錄 iv
表格目錄 vi
圖形目錄 vii
第一章 前言 ( Introduction )
1.1 研究背景 1
1.2 低軌道衛星天線之介紹 2
1.3 文獻導覽 3
1.4 論文章節提要 3
第二章 應用於 K / Ka低軌道衛星系統之單饋入雙頻圓極化天線設計 ( Single-Port K / Ka band Antenna Design for Low Earth Orbit system )
2.1 簡介 5
2.2 天線設計與原理 6
2.3 實驗結果與分析 10
第三章 應用於 K / Ka 低軌道衛星系統之雙饋入圓極化天線設計 ( Dual Port K / Ka band Antenna Design for Low Earth Orbit system )
3.1 簡介 27
3.2 天線設計與原理 27
3.3 實驗結果與分析 32
第四章 應用於 K / Ka 低軌道衛星系統之雙頻圓極化2 × 2陣列天線設計 ( K / Ka band Circular Polarization 2 × 2 Array Antenna Design for Low Earth Orbit System )
4.1 簡介 49
4.2 天線設計與原理 50
4.3 實驗結果與分析 53

第五章 結論 （Conclusions） 64
參考文獻 ( References ) 74







表格目錄

頁次
表2.1 應用於K / Ka 頻段之低軌道天線設計相關參數 9
表2.2 應用於K / Ka 頻段之模態分佈表 14
表3.1 應用於K / Ka 頻段之雙饋入圓極化天線設計相關參數 32
表3.2 Port 1 之模態分佈表 36
表3.3 Port 2 之模態分佈表 36
表4.1 雙頻圓極化陣列天線設計相關參數 51
表5.1 天線特性比較 66







圖形目錄

頁次
圖2.1 單饋入雙頻圓極化天線設計整體結構 8
圖2.2 單饋入雙頻圓極化天線設計之細部結構 19
圖2.3 單饋入雙頻圓極化天線實作成品照片 10
圖2.4 單饋入雙頻圓極化天線之實測與模擬結果比較圖 12
圖2.5 單饋入雙頻圓極化天線 Layer 1 表面電流之分布圖 13
圖2.6 單饋入雙頻圓極化天線 Layer 2 表面電流之分布圖 14
圖2.7 單饋入雙頻圓極化天線 Layer 3 表面電流之分布圖 15
圖2.8 單饋入雙頻圓極化天線 Layer 4 表面電流之分布圖 16
圖2.9 單饋入雙頻圓極化天線隨不同 R1 尺寸變化之模擬比較圖 17
圖2.10 單饋入雙頻圓極化天線隨不同 W3 尺寸變化之模擬比較圖 18
圖2.11 單饋入雙頻圓極化天線隨不同 L3 尺寸變化之模擬比較圖 19
圖2.12 單饋入雙頻圓極化天線效率、增益以及軸比數據圖 20
圖2.13 單饋入雙頻圓極化天線場形圖 22
圖2.14 單饋入雙頻圓極化天線場形圖 24
圖2.15 單饋入雙頻圓極化天線與沒有 dummy antenna 時之模擬比較圖 26
圖3.1 雙饋入雙頻圓極化天線設計整體結構 30
圖3.2 雙饋入雙頻圓極化天線設計詳細結構 31
圖3.3 雙饋入雙頻圓極化天線實作成品照片 32
圖3.4 雙饋入雙頻圓極化天線實測結果比較圖 34
圖3.5 雙饋入雙頻圓極化天線 Layer 1 表面電流之分布圖 @ Port 1 36
圖3.6 雙饋入雙頻圓極化天線 Layer 2 表面電流之分布圖 @ Port 1 37
圖3.7 雙饋入雙頻圓極化天線 Layer 3 表面電流之分布圖 @ Port 1 37
圖3.8 雙饋入雙頻圓極化天線 Layer 4 表面電流之分布圖 @ Port 1 38
圖3.9 雙饋入雙頻圓極化天線 Layer 1 表面電流之分布圖 @ Port 2 38
圖3.10 雙饋入雙頻圓極化天線 Layer 2 表面電流之分布圖 @ Port 2 38
圖3.11 雙饋入雙頻圓極化天線 Layer 3 表面電流之分布圖 @ Port 2 39
圖3.12 雙饋入雙頻圓極化天線 Layer 4 表面電流之分布圖 @ Port 2 39
圖3.13 雙饋入雙頻圓極化天線隨不同 R1 尺寸變化之模擬比較圖 41
圖3.14 雙饋入雙頻圓極化天線隨不同 W3 尺寸變化之模擬比較圖 43
圖3.15 雙饋入雙頻圓極化天線隨不同 L3 尺寸變化之模擬比較圖 45
圖3.16 雙饋入雙頻圓極化天線效率、增益以及軸比數據圖 46
圖3.17 雙饋入雙頻圓極化天線場形圖 48
圖4.1 雙頻圓極化陣列天線設計整體結構 52
圖4.2 雙頻圓極化陣列天線設計之細部結構 53
圖4.3 單饋入雙頻圓極化陣列天線實作成品照片 54
圖4.4 雙頻圓極化陣列天線模擬結果圖 55
圖4.5 雙頻圓極化陣列天線之增益、效率以及軸比數據圖 56
圖4.6 雙頻圓極化陣列天線之 2D 場形圖 58
圖4.7 雙頻圓極化陣列天線隨不同 S 變化之模擬比較圖 60
圖4.8 雙頻圓極化陣列天線場型隨不同 Spacing 尺寸變化之模擬比較圖 61
圖4.9 不同饋入網路結構圖 62
圖4.10 不同陣列天線之特性比較圖 63




























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英文摘要 ii
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第一章 前言 ( Introduction )
1.1 研究背景 1
1.2 低軌道衛星天線之介紹 2
1.3 文獻導覽 3
1.4 論文章節提要 3
第二章 應用於 K / Ka低軌道衛星系統之單饋入雙頻圓極化天線設計 ( Single-Port K / Ka band Antenna Design for Low Earth Orbit system )
2.1 簡介 5
2.2 天線設計與原理 6
2.3 實驗結果與分析 10
第三章 應用於 K / Ka 低軌道衛星系統之雙饋入圓極化天線設計 ( Dual Port K / Ka band Antenna Design for Low Earth Orbit system )
3.1 簡介 27
3.2 天線設計與原理 27
3.3 實驗結果與分析 32
第四章 應用於 K / Ka 低軌道衛星系統之雙頻圓極化2 × 2陣列天線設計 ( K / Ka band Circular Polarization 2 × 2 Array Antenna Design for Low Earth Orbit System )
4.1 簡介 49
4.2 天線設計與原理 50
4.3 實驗結果與分析 53

第五章 結論 （Conclusions） 64
參考文獻 ( References ) 74
論文著作表 (Publication List)


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圖2.1 單饋入雙頻圓極化天線設計整體結構 8
圖2.2 單饋入雙頻圓極化天線設計之細部結構 19
圖2.3 單饋入雙頻圓極化天線實作成品照片 10
圖2.4 單饋入雙頻圓極化天線之實測與模擬結果比較圖 12
圖2.5 單饋入雙頻圓極化天線 Layer 1 表面電流之分布圖 13
圖2.6 單饋入雙頻圓極化天線 Layer 2 表面電流之分布圖 14
圖2.7 單饋入雙頻圓極化天線 Layer 3 表面電流之分布圖 15
圖2.8 單饋入雙頻圓極化天線 Layer 4 表面電流之分布圖 16
圖2.9 單饋入雙頻圓極化天線隨不同 R1 尺寸變化之模擬比較圖 17
圖2.10 單饋入雙頻圓極化天線隨不同 W3 尺寸變化之模擬比較圖 18
圖2.11 單饋入雙頻圓極化天線隨不同 L3 尺寸變化之模擬比較圖 19
圖2.12 單饋入雙頻圓極化天線效率、增益以及軸比數據圖 20
圖2.13 單饋入雙頻圓極化天線場形圖 22
圖2.14 單饋入雙頻圓極化天線場形圖 24
圖2.15 單饋入雙頻圓極化天線與沒有 dummy antenna 時之模擬比較圖 26
圖3.1 雙饋入雙頻圓極化天線設計整體結構 30
圖3.2 雙饋入雙頻圓極化天線設計詳細結構 31
圖3.3 雙饋入雙頻圓極化天線實作成品照片 32
圖3.4 雙饋入雙頻圓極化天線實測結果比較圖 34
圖3.5 雙饋入雙頻圓極化天線 Layer 1 表面電流之分布圖 @ Port 1 36
圖3.6 雙饋入雙頻圓極化天線 Layer 2 表面電流之分布圖 @ Port 1 37
圖3.7 雙饋入雙頻圓極化天線 Layer 3 表面電流之分布圖 @ Port 1 37
圖3.8 雙饋入雙頻圓極化天線 Layer 4 表面電流之分布圖 @ Port 1 38
圖3.9 雙饋入雙頻圓極化天線 Layer 1 表面電流之分布圖 @ Port 2 38
圖3.10 雙饋入雙頻圓極化天線 Layer 2 表面電流之分布圖 @ Port 2 38
圖3.11 雙饋入雙頻圓極化天線 Layer 3 表面電流之分布圖 @ Port 2 39
圖3.12 雙饋入雙頻圓極化天線 Layer 4 表面電流之分布圖 @ Port 2 39
圖3.13 雙饋入雙頻圓極化天線隨不同 R1 尺寸變化之模擬比較圖 41
圖3.14 雙饋入雙頻圓極化天線隨不同 W3 尺寸變化之模擬比較圖 43
圖3.15 雙饋入雙頻圓極化天線隨不同 L3 尺寸變化之模擬比較圖 45
圖3.16 雙饋入雙頻圓極化天線效率、增益以及軸比數據圖 46
圖3.17 雙饋入雙頻圓極化天線場形圖 48
圖4.1 雙頻圓極化陣列天線設計整體結構 52
圖4.2 雙頻圓極化陣列天線設計之細部結構 53
圖4.3 單饋入雙頻圓極化陣列天線實作成品照片 54
圖4.4 雙頻圓極化陣列天線模擬結果圖 55
圖4.5 雙頻圓極化陣列天線之增益、效率以及軸比數據圖 56
圖4.6 雙頻圓極化陣列天線之 2D 場形圖 58
圖4.7 雙頻圓極化陣列天線隨不同 S 變化之模擬比較圖 60
圖4.8 雙頻圓極化陣列天線場型隨不同 Spacing 尺寸變化之模擬比較圖 61
圖4.9 不同饋入網路結構圖 62
圖4.10 不同陣列天線之特性比較圖 63











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表2.1 應用於K / Ka 頻段之低軌道天線設計相關參數 9
表2.2 應用於K / Ka 頻段之模態分佈表 14
表3.1 應用於K / Ka 頻段之雙饋入圓極化天線設計相關參數 32
表3.2 Port 1 之模態分佈表 36
表3.3 Port 2 之模態分佈表 36
表4.1 雙頻圓極化陣列天線設計相關參數 51
表5.1 天線特性比較 66

參考文獻
（References）
[1]https://www.tutorialspoint.com/first-generation-1g-mobile-phones
[2]https://www.tutorialspoint.com/second-generation-2g-mobile-phones
[3]https://www.tutorialspoint.com/third-generation-3g-mobile-phones
[4]https://www.tutorialspoint.com/fourth-generation-4g-mobile-phones
[5]https://www.3gpp.org/technologies/5g-system-overview
[6]https://www.bbc.com/news/world-us-canada-63266142
[7]https://www.techtarget.com/whatis/definition/low-earth-orbit-LEO-satellite
[8]M. Yang, Y. Pan, Y. Sun and K. Leung, "Wideband circularly polarized substrate-integrated embedded dielectric resonator antenna for millimeter-wave applications", IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 68, no. 2, pp. 1145-1150, Feb. 2020
[9]J. Xu, W. Hong, Z. H. Jiang and H. Zhang, "Low-cost millimeter-wave circularly polarized planar integrated magneto-electric dipole and its arrays with low-profile feeding structures", IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol. 19, no. 8, pp. 1400-1404, Aug. 2020
[10]A. M. Eid, A. A. Salama, and H. M. El-Kamchouchi, "Wide axial ratio bandwidth, high gain, and low profile cavity backed circularly polarized elliptical array for satellite applications", Progress In Electromagnetics Research C, Vol. 97,pp. 213-225, Dec, 2019
[11]Z. H. Jiang, Y. Zhang and W. Hong, "Anisotropic impedance surface-enabled low-profile broadband dual-circularly polarized multibeam reflectarrays for Ka-band applications", IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 68, no. 8, pp. 6441-6446, Aug. 2020
[12]J. Xu, W. Hong, Z. H. Jiang, H. Zhang and K. Wu, "low-profile wideband vertically folded slotted circular patch array for Ka-band applications", IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 68, no. 9, pp. 6844-6849, Sept. 2020
[13]B. Feng, J. Lai, K. L. Chung, T. -Y. Chen, Y. Liu and C. -Y. -D. Sim, "A compact wideband circularly polarized magneto-electric dipole antenna array for 5G millimeter-wave application", IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 68, no. 9, pp. 6838-6843, Sept. 2020
[14]P. Naseri, M. Riel, Y. Demers and S. V. Hum, "A dual-band dual-circularly polarized reflectarray for K/Ka-band space applications", IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 68, no. 6, pp. 4627-4637, June 2020
[15]A. K. Fahad, C. Ruan, R. Nazir, T. U. Haq and W. He, "Dual-band ultrathin meta-array for polarization conversion in Ku/Ka-band with broadband transmission", IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol. 19, no. 5, pp. 856-860, May, 2020
[16]Y. C. Tu, D. D. Ma, Y. Liu, X. H. Hu and K. Gong, "Broadband substrate integrated dielectric resonator antenna for millimeter-wave applications," 2016 IEEE MTT-S International Microwave Workshop Series on Advanced Materials and Processes for RF and THz Applications (IMWS-AMP), pp. 1-3
[17]Y. Lu, Y. You, Y. Wang, Z. -W. Zheng and J. Huang, "Dual-band combined-aperture variable inclination continuous transverse stub antenna with consistent beam direction," IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 70, no. 10, pp. 8962-8972, Oct. 2022
[18]https://www.itu.int/en/ITU-R/space/Documents/RES35(WRC-19).pdf
[19]https://www.itu.int/en/ITU-R/space/Documents/RES35(WRC-19)-table.pdf
[20]http://ccl.npc.com.tw/cclfile/pdt/Datasheet_NP-535B_1629096211423.pdf?v=11105
[21]http://ccl.npc.com.tw/cclfile/pdt/Datasheet_NP-536_1629096210505.pdf?v=73264
[22]G. Lordos, M. Guerster, B. Cameron, O. de Weck and J. Hoffman, "Tradespace exploration of space settlement architectures using long-term cost and benefit metrics," 2020 IEEE Aerospace Conference, pp. 1-15
[23]https://www.microwaves101.com/encyclopedias/coplanar-waveguide
[24]https://www.woken.com.tw/v3/download.php?po=WCON-24FSEL&type=spec
[25]http://www.ansoft.com/products/hf/hfss
[26]https://www.rohde-schwarz.com/us/products/test-and-measurement/network-analyzers/rs-zna-vector-network-analyzers_63493-551810.html
[27]https://www.britannica.com/technology/antenna-electronics#ref189236
[28]K. M. -J. Ho and G. M. Rebeiz, "Dual-band circularly-polarized microstrip antenna for Ku/Ka band statellite communication arrays," 2014 IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium (APSURSI), 2014, pp. 1831-1832