實驗八：圓極化波微帶天線設計及量測

實 驗 七 圓 極 化 波 微 帶 天 線 設 計 及 量 測 一 實 驗 目 的 : 設 計 中 心 頻 率.545 GHz 之 圓 極 化 波 微 帶 天 線, 在 中 心 頻 率 之 圓 極 化 波 之 軸 比 (axial atio) 需 小 於. db 天 線 設 計 一 形 狀 取 矩 形 但 近 似 正 方 形 之 設 計, 而 以 同 軸 線 為 饋 入 方 式 使 用 單 片 FR4 雙 面 電 路 板 蝕 刻 製 作 天 線 設 計 二 形 狀 取 方 形 並 在 天 線 的 對 角 線 上 植 入 一 狹 長 矩 形 槽 孔 之 設 計, 而 以 同 軸 線 為 饋 入 方 式 亦 使 用 單 片 FR4 雙 面 電 路 板 蝕 刻 製 作 成 品 製 作 剛 成 後, 量 測 天 線 相 關 參 數, 並 討 論 其 結 果 二 實 驗 材 料 : ().6mmFR4 雙 面 感 光 電 路 板 () SMA 接 頭 三 實 驗 步 驟 : 天 線 設 計 一 : () 由 給 定 之 FR4 基 板 參 數, 決 定 矩 形 微 帶 天 線 金 屬 片 之 短 邊 長 度, 使 該 短 邊 可 激 發 之 最 低 共 振 頻 率.545 GHz () 決 定 長 邊 之 長 度, 使 得 天 線 之 遠 場 輻 射 場 E θ 及 Ε φ 大 小 相 等, 而 相 位 相 差 九 十 度 由 於 長 邊 之 長 度 也 會 影 響 到 操 作 之 共 振 頻 率 值 若 因 此 操 作 頻 率 偏 離.545 GHz, 則 必 須 回 到 步 驟 () 修 正 短 邊 長 度 (3) 使 用 同 軸 線 作 饋 入, 於 金 屬 片 對 角 線 上 選 擇 5 歐 姆 輸 入 阻 抗 之 饋 入 點 (4) 決 定 各 項 參 數 後, 使 用 FR4 電 路 板 蝕 刻 製 作 製 作 成 品 後, 量 測 此 天 線 參 數, 並 討 論 其 圓 極 化 波 特 性 及 相 關 量 測 數 據 天 線 設 計 二 : () 決 定 矩 形 微 帶 天 線 金 屬 片 之 長 度 及 決 定 窄 槽 孔 的 尺 寸, 使 得 可 激 發 之 最 低 共 振 頻 率.545 GHz () 決 定 窄 槽 孔 的 尺 寸, 使 得 天 線 之 遠 場 輻 射 場 E θ 及 Ε φ 大 小 相 等, 而 相 位 相 差 九 十 度 由 於 窄 槽 孔 的 尺 寸 也 會 影 響 到 操 作 之 共 振 頻 率 值 若 因 此 操 作 頻 率 偏 離.545 GHz, 則 必 須 回 到 步 驟 () 修 正 長 度 (3) 使 用 同 軸 線 作 饋 入, 於 金 屬 片 軸 向 方 向 線 上 選 擇 5 歐 姆 輸 入 阻 抗 之 饋 入 點 (4) 決 定 各 項 參 數 後, 使 用 FR4 電 路 板 蝕 刻 製 作 製 作 成 品 後, 量 測 此 天 線 參 數, 並 討 論 其 圓 極 化 波 特 性 及 相 關 量 測 數 據 四 實 驗 原 理 : () 圓 極 化 波 設 計 要 求

微 帶 天 線 基 本 上 為 一 窄 頻 寬 天 線, 當 設 計 成 圓 極 化 波 輻 射 時, 其 頻 寬 更 窄, 一 般 不 超 過 其 線 性 極 化 輻 射 頻 寬 的 /[-6] 因 此, 如 何 準 確 計 算 圓 極 化 波 微 帶 天 線 的 尺 寸, 相 當 重 要 一 般 在 設 時, 考 慮 在 其 主 輻 射 束 中 心 點 上 (θ = ), 其 遠 場 E θ 及 Ε φ 必 須 滿 足 E θ Eφ = ± 9, Eθ = Eφ (7.) (7.) 方 程 式 (7.) 之 ± 號 代 表 右 旋 及 左 旋 圓 極 化 () 圓 極 化 微 帶 天 線 設 計 一 在 本 節 中, 我 們 首 先 即 以 此 方 法 設 計 圓 極 化 波 輻 射 天 線 [9-3], 首 先, 為 了 要 滿 足 E θ 及 Ε φ 之 大 小 相 等, 我 們 可 以 選 擇 使 用 方 形 微 帶 天 線 因 為 方 形 微 帶 天 線 之 f 及 f 頻 率 相 同, 因 此 在 同 一 操 作 頻 率 下, 可 以 同 時 激 發 互 相 垂 直, 而 且 強 度 相 同 TM 及 TM 模 態, 而 得 到 大 小 相 等 的 E θ 及 E φ 之 相 位 差 為 零 而 由 研 究 發 現, 如 果 將 方 形 金 屬 片 之 長 寬 比 (aspect atio) 由. 增 加 至 約.-.3 左 右 ( 視 天 線 基 底 等 參 數 而 有 所 變 化, 對 FR4 玻 纖 基 板 而 言 有 良 好 的 一 致 性 ),E θ 及 E φ 之 相 位 差 可 以 變 成 九 十 度 由 於 E θ 及 E φ 之 大 小 依 舊 大 致 相 同, 因 此, 我 們 可 以 得 到 一 圓 極 化 波 的 輻 射 在 本 節 中, 我 們 首 先 即 以 此 方 法 設 計 圓 極 化 波 輻 射 天 線, 其 結 構 如 下 圖 所 示 ε 圖 一 近 似 於 方 形 微 帶 天 線 圓 形 極 化 設 計

另 外 由 輻 射 場 軸 比 (axial atio) 小 於 3dB 之 條 件 決 定 對 操 作 頻 寬, 此 時 約 僅.5%, 為 一 相 當 窄 頻 之 圓 極 化 波 天 線 除 了 由 全 波 分 析 計 算 出 ΔL 之 值 外, 只 要 能 計 算 得 到 天 線 結 構 之 空 腔 品 質 因 數 Q,Δa 可 以 由 下 列 簡 化 公 式 獲 得 [-5]: ΔL = L Q Q c d sw (7.) = + + + (7.3) Q Q Q Q 其 中 Q 為 整 體 的 Q 值 Q 為 輻 射 損 失 所 形 成 的 Q 值 Q d 為 介 質 損 失 所 形 成 的 Q 值 及 Q sw 為 表 面 波 損 失 所 形 成 的 Q 值 而 由 Q 值 也 可 以 大 致 估 算 出 圓 極 化 波 輻 射 之 頻 寬 ( 3Q) ; 一 般 線 性 極 化 輻 射 約 為 Q 在 另 外 在 選 擇 饋 入 點 位 置 上, 由 經 驗 得 到 此 種 結 構 之 最 佳 5-Ω 饋 入 點 位 於 對 角 線 A C 上 距 離 端 點 約.35-.39 A C 之 間 ( 不 同 天 線 參 數 可 能 有 不 同 數 值 ) 在 此 饋 入 點, 當 基 底 較 厚 時, 由 於 饋 線 之 電 感 加 大, 欲 獲 得 接 近 VSWR= 的 結 果, 將 較 為 困 難 (3) 圓 極 化 微 帶 天 線 設 計 二 [6,, 3-4] 也 可 以 在 方 形 微 帶 天 線 上 蝕 刻 一 個 對 角 的 窄 槽 孔, 如 圖 二 所 示 典 型 的 設 計 : 當 c = L/.7 及 d = c/ 時, 可 以 得 到 優 良 的 圓 極 化 軸 比 (Axial Ratio) 同 時 將 饋 入 位 置 置 於 (x/l, y/l) = (.5,.636) 時, 可 以 達 到 最 佳 阻 抗 匹 配 ( 不 同 天 線 參 數 可 能 有 不 同 數 值 ) ε 圖 二 具 有 一 個 對 角 的 窄 槽 孔 之 方 形 微 帶 天 線 圓 極 化 設 計 幾 何 圖

(4) Q 值 之 計 算 : A. 我 們 可 以 由 實 驗 求 得 阻 抗 頻 寬 (VSWR=.:), 再 經 由 方 程 式 (7.3) 求 的 對 應 的 Q 值 Δf BW = =. (7.4) f Q B. 當 微 帶 天 線 製 作 於 薄 的 電 介 質, 此 時 反 射 損 失 RL db 所 定 義 的 阻 抗 頻 寬 大 約 等 於 電 壓 駐 波 比 VSWR. 所 定 義 的 阻 抗 頻 寬 可 以 使 用 實 驗 一 之 方 程 式 求 出 阻 抗 頻 寬, 再 使 用 方 程 式 (7.3) 求 出 天 線 的 Q 值 C. 天 線 之 操 作 頻 寬 [5] 可 以 由 下 式 表 示 : 6 BW = 3 c p b e ε λ W L (7.5) a 3 p = + k w + a 4 k w + b k L (7.6) 56 a =.665 4 其 中 ( ) ( ) ( ) a b 4 =.76 =.94 e 為 輻 射 效 率, e h P =. (7.7) n h P + P SW h 5 其 中 ( ) P = k ob 8π μ + 4 λ n n P h SW ~ λ ( k b) π 3 6 n 3 3 μ 3 n = ε μ 五 實 驗 範 例 : 選 擇 邊 長 L = 37.3 mm 的 方 形 微 帶 天 線, 經 由 實 驗 得 知 阻 抗 頻 寬 BW( VSWR. ) =.68% 經 由 計 算 得 到 Q 值 為 3.7, 則 L+ΔL = 38.45 mm 經 由 實 驗 得 知 其 圓 極 化 輻 射 並 不 理 想, 故 需 修 正 ΔL 值 當 L+ΔL = 38.88 mm,d p 為 4.mm 時, 實 驗 量 測 結 果 如 圖 三 所 示 : 操 作 圓 極 化 中 心 頻 率 為 869 Mhz 及 所 得 之 圓 極 化 頻 寬 為.% ( 其 中 圓 級 化 天 線 的 中 心 頻 率 為 圓 極 化 軸 比 最 低 處 之 頻 率 ) 圖 四 所 示 為 近 似 於 方 形 的 圓 極 化 微 帶 天 線 實 驗 量 測 所 得 的 輻 射 場 型 圖, 實 驗 結 果 顯 示 此 天 線 為 右 旋 圓 極

化 (RHCP) 天 線 並 且 具 有 良 好 的 微 帶 天 線 圓 極 化 幅 射 特 性 圖 三 近 似 於 方 形 的 圓 極 化 微 帶 天 線 實 驗 量 測 所 得 的 輻 射 軸 比 對 頻 率 響 應 圖 圖 四 近 似 於 方 形 的 圓 極 化 微 帶 天 線 實 驗 量 測 所 得 的 輻 射 場 型 圖 具 有 一 個 對 角 的 窄 槽 孔 之 方 形 微 帶 天 線 圓 極 化 設 計 實 例 如 下 : 選 擇 邊 長 L = 37.3 mm 的 方 形 微 帶 天 線, 並 且 選 擇 窄 槽 孔 的 c = 3.7 及 d =.37 的 尺 寸 時 經 由 實 驗 得 知 其 圓 極 化 輻 射 效 能 並 不 理 想, 故 需 修 正 窄 槽 孔 的 c 及 d 的 尺 寸 值 為.5 mm 及.37 mm 相 關 的 園 極 化 實 驗 量 測 結 果 如 圖 五 及 六 所 示 當 c 及 d 的 尺 寸 值 為.5 mm 及.37 mm,d p 為 5.8 mm 時, 實 驗 量 測 結 果 如 圖 五 所 示 : 操 作 圓 極 化 中 心 頻 率 為 853 MHz 及 所 得 之 圓 極 化 頻 寬 為.9% 圖 六 所 示 為 具 有 一 個 對 角 的 窄 槽 孔 之 方 形

微 帶 天 線 圓 極 化 設 計 之 實 驗 量 測 所 得 的 輻 射 場 型 圖, 實 驗 結 果 顯 示 此 天 線 為 左 旋 圓 極 化 (LHCP) 天 線 並 且 具 有 良 好 的 微 帶 天 線 圓 極 化 幅 射 特 性 圖 五 具 有 一 個 對 角 的 窄 槽 孔 之 方 形 微 帶 天 線 圓 極 化 設 計 之 實 驗 量 測 所 得 的 輻 射 軸 比 對 頻 率 響 應 圖 圖 六 具 有 一 個 對 角 的 窄 槽 孔 之 方 形 微 帶 天 線 圓 極 化 設 計 實 驗 量 測 所 得 的 輻 射 場 型 圖 六 問 題 與 討 論 : () 由 圓 極 化 微 帶 天 線 的 Smith 圖 中, 可 否 判 斷 此 天 線 圓 極 化 之 效 能? () 如 何 判 別 微 帶 天 線 輻 射 的 電 磁 波 極 化 為 左 旋 圓 極 化 (LHCP) 波 或 右 旋 圓 極 化 (LHCP) 波? 七 參 考 文 獻 :. J. R. James, and P.S. Hall, Handbook of Micostip Antennas, Vols. and, Pete Peeginus, London, UK,989.

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