第二章 極化天線設計原理
3.2 天線設計原理
3.2.1 四分之ㄧ波長阻抗轉換
圖 3-7、微帶線饋入 3.2.2 支幹耦合器
，若單一天線要產生圓極化的輻射情形，最簡單的方式是在天線上 由第二章可得知
同時激發兩個正交的線性模態(orthogonal patch modes)，並且兩模態強度相同(eaual amplitude)並且給定 90 度相位差 ( 90oout of phase)。由於支幹耦合器（branch-line coupler）結構簡單，如圖 3-8，除了具備的上述要求的特性，利用支幹耦合器饋入時，
兩饋入端的隔絕度（isolation）會得到較佳的效果，所以常被用來作為雙圓極化的饋 入。藉由適當設計，當訊號由 port 1 饋入時，port 3 與 port 4 得到的訊號有相同強 度並相差 90 度的相位差，並且 port 1 和 port 2 有很好的隔絕度。
圖 3-8、支幹耦合器架構示意圖
3.2.3 雙圓極化微帶天線設計
in diodes 導通的話，方形截角天線以及兩旁的寄生金
2.4 雙線性極化微帶天線設計
pin diode 為負偏壓時，pin diodes 不導通，此時
假定電磁波傳撥方向為+z 方向，左手圓極化（LHCP）及右手圓極化（RHCP）電場分
P：
給定之直流偏壓可以使得 p
屬片即可被視為一正方形之微帶天線，並且藉由支幹耦合器(branchline coupler )的 饋入，以提供兩個正交並且相位差 90 度的饋入訊號，來達成圓極化之輻射場形。當由 分別產生右手圓極化以及左手圓極化。由於是以支幹耦合器(branchline coupler )作 為饋入，port 3 與 port 4 會有相同訊號振幅強度以及 90 度的相位差，利用支幹耦合器
分別產生相異的圓極化，且有 90 度的相位差，此時所得到的合成場型如下：
通時被視為理想的金屬片，其寬度和 pin diodes 相同，這種利用金屬片等效 pin diodes 導通的方式在[9]中已經被提出以及證明。圖 3-9 為雙圓極化天線反射損耗模擬結果，
圖 3-10 為雙圓極化天線輻射場形模擬結果。同理，在雙線性極化操作時，pin diodes
為不導通的狀態，亦即天線為一矩形截角的 patch，圖 3-11 為雙圓極化天線反射損耗模 擬結果，圖 3-12 為雙圓極化天線輻射場形模擬結果。
圖 3-9、雙圓極化天線反射損耗模擬圖
（a） xz 平面
（b） yz 平面
圖 3-10、雙圓極化天線輻射場形模擬圖
圖 3-11、雙線性極化天線反射損耗模擬圖
（a） xz 平面
（b）yz 平面
圖 3-12、雙線性極化天線輻射場形模擬圖
圖 3-13 為實作天線之照片，其中在位置 1.為拉一段四分之ㄧ波長的細線並在端點 打 via 接地，目的為使得矩形截角天線在直流時電位為零。由於細線長度為四分之ㄧ波 長，並且在位置 1.打 via 接地，使得在高頻時由細線饋入之輸入阻抗為無限大，導致細 線僅在直流時提供零電位並在高頻時不影響天線之輸入組抗以及輻射。位置 2.所示為 pin diodes，藉由控制 pin diodes 的導通，天線相對的共振結構路徑便可以改變。位 置 3.所示為電容，其功能是為了阻隔直流成分，避免干擾 RF 訊號。位置 4.所示為直流 偏壓電路。圖 3-14 和圖 3-15 為此雙極化天線在雙圓極化以及雙線性極化時所量測之 S 參數，其中定義S11和S21皆在-10dB 以下的頻率範圍為操作頻寬。如圖 3-14 所示，雙圓 極化實際量測之操作頻寬約為 2.3%。如圖 3-15 所示，雙線性極化實際量測之操作頻寬 約為 2.8%。圖 3-16 和圖 3-17 為此雙極化天線在雙圓極化以及雙線性極化時所量測之輻 射場型。表 3-1 為四極化微帶天線天線效能評估，其中包括模擬與實作之比較。
圖 3-13、實作天線照片
圖 3-14、雙圓極化之反射損耗量測圖
圖 3-15、雙線性極化之反射損耗量測圖
圖 3-16、雙圓極化之輻射場型
（a） xz 平面
（b）yz 平面
圖 3-17、雙線性極化之輻射場型
天線效能 極化狀態 中心頻率（GHz） 頻寬（MHz，%）
模擬結果 雙圓極化 1.572 36，2.3%
模擬結果 雙線性極化 1.589 46，2.9%
天線量測 雙圓極化 1.579 36，2.3%
天線量測 雙線性極化 1.589 44，2.8%
表 3-1、四極化微帶天線效能
3.4 心得與討論
利用 pin diodes 來設計出四極化微帶天線，經過量測後可發現與 在本章裡成功的
模擬非常接近。藉由控制 pin diodes 的直流偏壓來改變天線相對的共振結構，藉此激 發不同的模態，即可以達雙線性極化以及雙圓極化的輻射場形，突破以往在單一天線端 只有某些特定極化的限制，此項設計提高整合性通訊系統架構可以使用極化掃瞄技術的 可行性。
第四章 四極化槽孔耦合微帶天線設計
（A Novel Reconfigurable Antenna for
微帶天線由於其低成本、低姿態（low profile）、製造簡單並且容易與主動電路結
天線的極化狀態除了可以利用天線共振結構來達到不同的極化之外，利用不同的饋
Aperture Coupled Patch Quadri-Polarization Diversity）
合，所以常被用於通訊系統中，如個人行動通訊以及衛星通訊中，但微帶天線卻會受限 於其窄頻的特性。近年來槽孔耦合微帶天線被廣泛的討論及研究[12]-[21]，由於其利 用較厚的空氣介質來改善傳統微帶天線窄頻的特性。槽孔耦合微帶天線除了有較大的頻 寬之外，由於槽孔耦合微帶天線是以多層基板堆疊設計而成，訊號餽入端與天線端有一 共同接地面，這使得饋入電路端與天線端有較好的隔離，天線輻射亦較不會受到饋入電 路端所影響。
入訊號亦即可以達成不同的極化狀態，在第三章中成功的利用 pin diodes 設計出四極 化微帶天線，其原理就是利用控制 pin diodes 的偏壓來改變天線相對應共振的結構，
藉由在不同直流偏壓狀態下激發不同的模態輻射。在本章中，欲利用 pin diodes 設計 出四極化槽孔耦合天線，較第三章所不同的，除了利用槽孔耦合天線利用厚空氣介質達 到較大的頻寬之外，本章是將 pin diodes 嵌入在槽孔耦合天線的饋入端，藉由控制直 流偏壓來切換天線饋入訊號，來達成雙線性極化以及雙圓極化場形輻射。當直流偏壓為 正偏壓時，此槽孔耦合天線為雙圓極化操作；當直流偏壓為負偏壓時，此槽孔耦合天線 為雙線性極化操作。
4.1 概述 power divider）來提供此兩相互正交模態 90 度的相位差，以達成圓極化場 形輻射。
[4]-[10]即是利用上述第一種方法，為利用控制 pin diodes 的導通與否來改變整體天 線相對應共振的結構，來達成極化狀態的改變。在第三章中，我們亦成功的利用 pin diodes 設計一四極化微帶天線，其極化狀態可以藉由控制 pin diodes 的偏壓來切換於 雙圓極化以及雙線性極化之間，其原理亦是利用控制 pin diodes 的導通與否來改變天 線相對的共振結構，來激發不同的模態。
圖 4-1、雙線性極化槽孔天線
圖 4-2、圓極化槽孔天線
在本章中，我們試圖以第二種方法，亦即給定不同的饋入訊號來達成極化狀態的切
2 天線設計原理
耦合天線架構圖，設計概念即為以四阜槽孔耦合天線作為出發 換。本章所設計的天線是以槽孔耦合微帶天線為設計出發，除了因為槽孔耦合微帶天線 有較大的頻寬之外，更由於槽孔耦合微帶天線是以多層基板堆疊設計而成，訊號饋入端 與天線端有一共同接地面，這使得饋入電路端與天線端有較好的隔離，天線輻射亦較不 會受到饋入電路端所影響，所以非常適合與主動電路結合設計。本章設計重點是利用將 pin diodes 鑲入於槽孔耦合微帶天線的饋入端，藉由控制 pin diodes 的導通與否來決 定饋入端的微帶線結構。
4.
圖 4-3 為四阜槽孔
點，當給定各阜不同饋入訊號時，此四阜槽孔天線即有不同的極化特性表現。例如訊號 由 port 1 和 port 2 饋入時，若給定相同的訊號振幅大小以及相位時，槽孔耦合天線為 雙線性極化輻射，此時 port 3 和 port 4 為開路；若訊號由 port 3 和 port 4 饋入時，
若給定相同的訊號振幅大小以及 90 度的相位差時，槽孔耦合天線為圓極化輻射，此時 port 1 和 port 2 為開路。
Air layer h=1mm
layer 1 (patch)
feeding network patch substrate (FR4 , 0.8mm)
feeding substrate (FR4 , 0.8mm) （a）側視圖
（b）矩形 patch 天線 （c）耦合槽孔與接地面
（d）、饋入端
圖 4-3、四埠槽孔耦合天線
本章所設計的槽孔耦合天線，設計概念即為以四阜槽孔耦合天線作為出發點，藉由
控制 pin diodes 的導通以及適當的設計饋入訊號端，來達到雙線性極化以及雙圓極化 的極化特性，圖 4-4 為本章所設計之四極化槽孔耦合天線架構圖，主要包含三部份，第 一部份為矩形 patch 天線，矩形 patch 天線的寬度設計共振於 5.25GHz；第二部份為接 地面，接地面上有四個槽孔以提供不同饋入訊號耦合至 patch；第二部份為饋入端，在 饋入端的微帶線上嵌入 8 顆 pin diodes，藉由控制 pin diodes 的偏壓，可以使得訊號 經由不同的饋入路徑經過槽孔耦合至 patch 天線上，來達到不同的極化狀態，訊號饋入 端與耦合槽孔分別印刷在饋入介質（feeding substrate）的兩面。
Air layer h=1mm
layer 1 (patch)
feeding network patch substrate (FR4 , 0.8mm)
feeding substrate (FR4 , 0.8mm)
（a）側視圖
（b）矩形 patch 天線 （c）耦合槽孔與接地面
（d）、饋入網路
圖 4-4、四極化槽孔耦合天線
本章所設計之四極化槽孔耦合天線的饋入介質（feeding substrate）以及 patch 天線介質（patch substrate）皆使用板厚為 0.8mm 介電係數為 4.4 的 FR4 基板，兩介 質基板有高度 h 的空氣介質，如圖 4-4（a）所示。圖 4-4（b）所示，為一矩形 patch 天線，矩形 patch 天線的寬度Lp =18.2mm，主要設計共振於 5.25GHz。圖 4-4（c）接 地面，接地面上有四個耦合槽孔 利用此四個槽孔耦合至 patch 天線上，槽孔 長度 Ls=9.8mm，槽孔寬度 Ws=0.55mm。圖 4-4（d）為饋入網路，其中包含八顆 pin diodes 以及直流偏壓電路，除了直流偏壓電路之外，微帶線寬皆為 50
，微帶線即
Ω 線寬。
4.2.1 饋入網路
diodes 嵌入饋入微帶線路之間，控制直流偏壓電路即可以造成 pin diodes 有不同的導 通狀態。利用一端接地的四分之ㄧ波長的細線分別連接至cab線段、de線段與 fg 線段，
同振幅大小以及 90 度的相位差，並且經由適當的設計，將此兩個訊號作正交饋入，經 pin diodes，而這種利用金屬片等效 pin diodes 導通的方式在[9]中已經被提出以及證 明。圖 4-5 為本章四極化槽孔耦合天線在雙圓極化操作時的實作照片，其中以金屬片來 代替導通的 D1、 D2 、D3 、D4。圖 4-6 為在雙線性極化操作時的實作照片，其中以金
同振幅大小以及 90 度的相位差，並且經由適當的設計，將此兩個訊號作正交饋入，經 pin diodes，而這種利用金屬片等效 pin diodes 導通的方式在[9]中已經被提出以及證 明。圖 4-5 為本章四極化槽孔耦合天線在雙圓極化操作時的實作照片，其中以金屬片來 代替導通的 D1、 D2 、D3 、D4。圖 4-6 為在雙線性極化操作時的實作照片，其中以金