(Design Theory of Circularly Polarized Microstrip Antennas)
2.1 微帶天線
2.1.1 設計考量
第三章我們將設計適用於 915MHz 射頻辨識系統的圓極化讀碼天線，此系統 頻段為 902～928MHz。若如一般將微帶天線洗在 0.4~1.6mm 介電值板材上來實 作天線，由於微帶天線窄頻的特性，將很難以單饋入或雙饋入的技術達成在要求 的頻段內圓極化皆在 3dB 軸比(axial ratio)以下且符合阻抗頻寬(impedance
bandwidth)要求。
為了能增加天線的頻寬，最簡單的方式是增加天線基板(substrate)高度，當 基板高度 h 增加時，天線的阻抗頻寬將獲得提升，天線的輻射功率也將跟著上 升。但是 h 增加時也會使表面波造成的損耗(surface wave loss)增加，另外，h 增 加後我們需以探針(probe)來饋入天線，由探針產生不希望的輻射情形也隨 h 增加 而會加遽。天線基板的介電常數
ε
r(substrate dielectric constant)具有類似基板高度 的功能，選用較低的基板ε
r其效果跟增加基板高度相同。[2]2.1.2 探針饋入
如圖 2-1(a)，利用同軸探針饋入(coaxial probe feeding)的方式來激發微帶天 線是一種相當常見的方式。由同軸電纜轉換成探針饋入至天線的過程在物理結構 上產的不連續性(discontinuity)會使部分能量被儲存在接合處(junction)的附近，造 成額外的電抗效應，圖 2-1(b)為其效應的一種等效電路。[3]
(a)結構圖 (b) 等效電路圖
圖 2-1、同軸探針饋入微帶天線說明
利用探針饋入除了使微帶天線易於架高外，如圖 2-2 所示，藉由調整探針在 天線上的饋入位置能變化輸入阻抗大小值使得天線設計獲得簡化
(a)微帶天線在不同位置饋入 (b)天線阻抗變化情形 圖 2-2、在微帶天線上不同位置以探針饋入對天線輸入阻抗的比較
雖然以探針饋入的方式上述好處，但是當我們利用此方式來架高天線時，探 針也需跟著增長，這除了會使表面波造成的損耗與探針產生的輻射情形增加外，
還會增加饋入天線的電感(inductance)。當設計圓極化天線時，此電感效應將會使 得圓極化效應產生的頻段與阻抗頻寬分離使天線效能變差。[4] 由圖2-1的等效電 路發現，我們可以藉由引進一額外的串聯電容效應來補償探針所產生的電感效 應。圖2-3展示了為兩種補償的方式。[2]
(a)以環形槽產生串聯電感 (b)另一種方式來產生電感 圖 2-3、補償饋入探針電感效應的方式
2.2 雙饋入圓極化微帶天線
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同時激發兩個 正交的天線模態(orthogonal patch modes)，此兩模態強度相同(eaual amplitude)相 位角差90度( 90oout of phase)。許多形狀的微帶天線都可以用來設計圓極化天 線，例如正方形、圓形、五邊形、等邊三角形、環形等…，其中最常見的是正方 形與圓形微帶天線。圖2-4顯示此兩種形狀的雙饋入圓極化微帶天線激發方式，
若是能設計良好的功率分配器(power divider circuit)，使兩個正交饋入的訊號強度 相同且相位差90度，則圓極化效果就能產生。例如使用支幹耦合器(branchline coupler )來當提供兩個正交饋入的訊號，由於它能在不錯的頻寬內符合上述要 求，因此饋入的天線圓極化軸比頻寬理論上也相當寬頻。
(a)方形微帶天線 (b)圓形微帶天線 圖 2-4、雙饋入圓極化微帶天線激發方式
2.3 單饋入圓極化微帶天線
一般而言，以單一饋入的方式所激發的微帶天線輻射場型為線性極化(linear polarization)，為了能產生圓極化輻射情形，須藉由如圖 2-5 所示稍微改變天線形 狀與饋入位置，使天線產生兩種共振模態。藉由適當的調整天線形狀與饋入位 置，在中心頻率 f 時可產生如圖 2-6 所示的兩強度相同相位角差 90 度的模態，O 滿足圓極化產生條件。隨著頻率偏離中心頻率 f 後，兩模態強度與相位角差會O
同時偏離圓極化產生條件，軸比也會跟著快速的衰減，使得 3dB 軸比頻寬較差。
[2]
(a)矩形 (b)正方形 (c)圓形 圖 2-5、常見單饋入圓極化天線
圖 2-6、單饋入圓極化天線兩正交模態的振幅與相位隨頻率變化情形
2.4 圓極化天線增益
圓極化天線在使用 spinning linear method 量測時，會旋轉線性極化訊號發射 天線，使得待測天線量得如圖 2-7 的輻射場型。其圓極化軸比可由圖中估計得到。
此天線的增益用此圖來定義卻有爭議，說是最大的 6.1dBi 或是最小的 4.7dbi 皆 不合理。因此，藉由引進一修正因子G (correction factor)來精確定義圓極化天線C 增益。[5]
/ 20
( ) 20 log [0.5(1 1010 AR )]
G dBC = + −
其中軸比(AR)可由圖 2-7 估計獲得。另外，將量測得到的最大天線增益以G dBilO( ) 表示，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(referenced to an linear isotropic antenna)。則新定義的圓極化天線可以GCP來表示。( ) 3
CP O C
G dBic =G +G +
其單位中的
c
表示此天線增益是以等方向圓形極化天線作基準(referenced to an circular isotropic antenna)。圖 2-7、圓極化天線輻射場型說明