圓極化天線增益

旋轉線性極化訊號發射天線，使得待測天線量得如圖 2-5

) 20 log [0.5(1 10 ^AR )]

B = + ⁻

其中軸比(AR)可由圖 2-5 估計獲得。另外，將量測得到的最大天線增益以 表示，

renced 圓極化天線在量測時，會

的輻射場型。此天線的增益用此圖來定義卻有爭議，若定義最大的增益值或是最小的增 益為此天線的增益值皆不合理。因此，藉由引進一修正因子G (correction factor)[11]_C 來精確定義圓極化天線增益。

C(

G d ₁₀ ^{/ 20}

( ) G dBilO

其單位中的l表示此天線增益是以等方向線性極化天線作基準(refe to an linear isotropic antenna)。則新定義的圓極化天線可以G_CP[11]來表示。

( ) 3

CP O C

G dBic =G +G +

其單位中的 表示此天線增益是以等方向圓形極化c 線作基準(referenced to an circular isotropic antenna)。

天

圖 2-5、圓極化天線輻射場型說明

第三章 四極化微帶天線設計

（A Novel Reconfigurable P

近年來在天線設計方面，極化掃瞄（polarization diversity）技術被應用的相當

到目前為止，天線設計者雖然可以利用 pin diode 來達成極化掃瞄，但是都僅限於

atch Antenna for Quadri- Polarization Diversity）

廣泛，其中利用控制 pin diode 的偏壓來改變天線極化狀態的研究，在近些年被熱烈的 探討。設計包括利用控制 pin diode 的偏壓來使得電流路徑相異，便以在相同天線上激 發不同的模態來達到不同的極化狀態[4]-[8]。或者是以利用控制 pin diode 的偏壓來 造成不同的共振路徑[9]、[10]，以達到頻率掃描（frequency diversity）的目的。

某些特定極化狀態的切換，極少天線被設計於同時可以操作於雙線性極化（dual linear polarization）以及雙圓型極化（dual circular polarization）。若想要在整合型通 訊系統中來使用極化掃瞄的技術，便需要所設計之天線必須可以操作於雙線性極化以及 雙圓型極化，來滿足各種不同通訊系統所要求之天線極化狀態，以漫遊在各個通訊系統 中。本章內容為四極化微帶天線設計。設計內容是將 pin diodes 應用於微帶天線上，

並藉由控制 pin diodes 偏壓來改變天線共振結構以及所激發的共振模態。給定正偏壓 時，此微帶天線將操作於雙線性極化（dual linear polarization），反之，給定負偏 壓時，此微帶天線將操作於雙圓性極化（dual circular polarization）。

3.1 概述

來無線通訊系統的發展，極化技術也日漸重要，傳統上天線都只設計成單 由於近年

極化，但是由於通訊品質的要求越來越高，天線系統亦被要求需要提供雙極化輻射。雙 極化天線的設計最初就只是應用兩根天線，並設計其極化特性為相互正交，例如垂直極 化和水平極化。圖 3-1 即為將極化掃瞄技術應用在 WLAN 上天線設計[2]的例子，便是利 用兩根極化特性為相互正交的單極天線來達到極化掃瞄的目的。

圖 3-1、利用雙天線做極化掃描之天線結構圖

除了利用兩根極化特性相互垂直的天線來達到極化掃瞄的技術之外，在單一天線上 激發一組相互正交的輻射模態亦可以達到極化掃瞄的目的。圖 3-2 即兩個 H 型槽孔耦合 所設計的雙線性極化天線[3]，利用兩個相互正交的饋入訊號，經過 H 形狀槽孔的耦合 之後，便可以再單一的天線上激發一組相互正交的輻射模態，達到極化掃瞄的目的。

圖 3-2、利用單一天線做極化掃描之天線結構圖

在近些年的雙極 ]。由於將 pin

化天線設計中，pin diodes 漸漸被廣泛的應用[4]-[10

diodes 加入雙極化天線的設計中，天線設計者對於雙極化天線的設計便多了更多的 選擇，藉由控制 pin diodes 的偏壓，相對的天線結構便會改變，所激發的模態亦大不 相同，這與以往需要利用兩根天線或是利用兩個相互垂直的饋入訊號相比，設計概念大 不相同。圖 3-3 即為一個 patch 天線[4]，其利用 pin diodes 來達到圓極化掃瞄（circular polarization diveristy）。控制饋入訊號端的直流偏壓即可以控制 pin diode 1 和 pin diode 2 的導通狀態，天線的極化狀態可以操作於左手圓極化或是右手圓極化。

圖 3-3、利用 pin diodes 做雙圓極化之天線結構圖

利用控制 pin diodes 的偏壓可以改變天線的極化狀態，除了雙極化狀態之外，近 年來亦有天線設計者利用 pin diodes 來達到單一天線上可以存在三種不同的極化狀 態，包括左手圓極化、右手圓極化以及線性極化。圖 3-4 即利用單一個 patch 天線[5] 來 達到三個不同的極化狀態，控制 pin diodes 的偏壓，假若 pin diode 1 和 pin diode 3 導通，且 pin diode 2 和 pin diode 4 不導通的狀態下，天線即為左手圓極化輻射，其 操作原理如第二章中單饋入元極化原理所述。同理當 pin diode 2 和 pin diode 4 導通，

且 pin diode 1 和 pin diode 3 不導通的狀態下，天線即為右手圓極化輻射。若 pin diodes 皆為導通或是皆為不導通的狀態下，天線結構對稱，所激發的模態即為最基本的線性極 化操作。

圖 3-4、利用 pin diodes 做三種極化狀態之天線結構圖

就一個整合型通訊系統而言，不同的通訊系統架構通常需要不通的極化狀態輻射，

2 天線設計原理

線架構圖，其天線設計共振於 1.575GHz，主要包含一矩形截角 的 p

若必須提供整合型通訊系統極化掃瞄的技術，勢必天線必須設計成可以提供雙圓極化以 及雙線性極化的操作。本章節所設計之天線即成功的設計出可以提供雙圓極化以及雙線 性極化之四極化微帶天線。

3.

圖 3-5 為所設計之天

atch 天線、四分之一波長阻抗轉換器、支幹耦合器(branch-line coupler )，兩顆 pin diode 以及兩片寄生金屬，並將 pin diodes 嵌入在矩形截角天線與寄生金屬間，藉 以利用控制 pin diodes 的直流偏壓，以改變電流共振路徑以及所激發的模態，來達到 不同極化狀態的操作。

圖 3-5、四極化天線結構示意圖

3.2.1 四分之ㄧ波長阻抗轉

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 ( 90^oout 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

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