以八面體可重組頻率選擇表面設計三維波束切換天線

Abstract

此篇論文提出且實作了一個使用可重組頻率選擇表面達到在三維空間中切換波束能力的天線，且其在水平及垂直方向上均具有波束掃描能力，並在全空間中提供較高的涵蓋率，在各可掃描方向的縫隙處，其增益變動亦較文獻中的作品低。在過去的文獻中，使用可重組頻率選擇表面實作的波束切換天線很少具有掃描垂直面的能力，而少數具有此能力的作品，則面臨由相位控制造成的複雜饋線網路、較難製造和垂直面掃描範圍有限的缺點，而在此作中，不需要進行任何相位上的控制，實作雛型也印證了常見的印刷電路板製程已足夠，此外，垂直面的可使用範圍亦提升到+/-90°。 本作提出的整體系統包含饋入天線、由可重組頻率選擇表面製作的八面體外殼，以及直流控制電路三部分，可重組頻率選擇表面可以透過改變焊於其上的PIN二極體偏壓的方式，在反射入射波及允許入射波穿透的兩個狀態中切換，因此，可以根據目標輻射方向改變反射面的位置。在八面體內部，則由兩個相互垂直的偶極天線作為偽等方向性的輻射源。此外，由於三角形在其他三維結構中的較高延伸性，本作採用以三角形為基底的圖形，因八面體幾何結構上的因素，亦必須同時控制雙極化方向的響應，關於可重組頻率選擇表面的設計概念、其他與整體天線組裝相關的議題，以及模擬和實驗結果的細節皆呈現於此論文中。 實作雛型在2.5GHz運作，此雛型成功印證了所提概念的可行性，量測中所得的最佳實際增益為6.86 dBi，波束可切換的方向包含直角座標中的+/- x、+/- y及+/- z六個方向。