（Design Theory of Circularly Polarized Microstrip Antennas）
2.1 微帶天線
2.1.1 設計考量
一般來說，微帶天線屬於共振形式（resonator-type）的天線，因此天線的大 小與操作頻率所對應的波長相關。操作頻率越低，所對應的微帶天線尺寸就越 大。GPS 系統需求的操作頻率為 1.57542GHz，這個頻率所對應的波長約為 190 mm，因此如果使用一般基板來設計 GPS 天線，會造成尺寸過大，不便整合於一 般電子產品。
因此要利用微帶天線來設計 GPS 天線，又欲將其天線尺寸縮小並不容易。
最直接的方式就是提高微帶天線基板的介電常數εr（substrate dielectric
constant），降低作頻率所對應的等效波長，進而達到縮小天線尺寸的要求。可是
了。因此在本論文中則是採用探針饋入來達到天線的阻抗匹配，同時可以兼顧到 維持天線體積的小型化。
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。將能量饋入天線的過程中，由於同軸電纜與探針在物理結構上的不連續 性（discontinuity）會使得部分能量儲存在接合處（junction）附近，造成額外的 電抗效應。圖 2-1（b）為其等效電路[1]。
（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
同時探針饋入可以藉由調整探針在天線上的饋入點位置不同，則天線的輸入 阻抗也會隨著改變，而達到阻抗匹配，使天線的設計獲得簡化。圖 2-2 所示即為 天線輸入阻抗隨著探針饋入點位置不同的變化情形。從圖 2-2 可知，探針饋入點 的位置離天線的中心點越遠，則所對應的天線阻抗會越高。
(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
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場型，最簡單的方式即為在天線上同時激發兩 個正交的天線模態（orthogonal path modes），這兩個正交模態強度相同（equal amplitude）、相位角差 90 度（90° out of phase）。許多形狀的微帶天線都可以用來 設計成圓極化天線，例如：矩形、圓形、環形、五邊形、正三角形等…，其中最 常見的是正方形與圓形微帶天線。圖 2-3 所示為這兩種形狀的雙饋入圓極化微帶 天線的激發方式，若是能夠設計良好的功率分配器（power divider circuit），使得 兩個正交饋入的訊號強度相同並且相位角相差 90 度，則圓極化的輻射場型就能
（linear polarization）。因此為了能夠產生圓極化的輻射場型，必須藉由如圖 2-4 所示改變天線的形狀與饋入點的位置，讓天線能夠產生兩種共振模態。藉由適當 的調整天線形狀與饋入點位置，如圖 2-5 所示可以在中心頻率 f 產生兩個強度相O 同且相位角差 90 度的共振模態，以滿足產生圓極化輻射場型的條件。並且隨著
頻率偏移中心頻率 f 後，原本激發出之兩個正交模態的強度與相位角會同時偏O 離圓極化輻射場型產生的條件，軸比（axial ratio）也會快速的衰減，使得 3dB 軸比的頻寬較差。
(a)矩形 (b)正方形 (c)圓形 圖 2-4、常見單饋入圓極化天線
圖 2-5、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
（correction factor）來定義圓極化天線的增益值[2]。
GC
(
/ 20)
( ) 20 log10 0.5 1 10 AR G dBC = ⎡⎣ + − ⎤⎦
其中軸比（AR）可以藉由圖 2-6 估計獲得。將所量測到最大的天線增益值以 表示，單位中的 表示此天線增益值是以等方向線性極化天線（isotropic linear antenna）作為基準。最後得到圓極化天線增益 的定義為
O(
單位中的c表示此天線增益是以等方向線性極化天線（isotropic linear antenna）
作為基準。
圖 2-6、圓極化天線輻射場型說明