第四章 變容二極體控制切換波束印刷天線陣列
4.2 基本原理
傳統的切換波束式系統其波束構成器(beamformer)採用巴特勒矩陣(Bulter matrix)，配合相對應的陣列天線來實現切換波束效果。但此系統若希望增加切換 波束數目則系統所佔面積將大幅提昇。
另外一種適用於切換波束式系統的天線為切換寄生天線(switched parasitic antenna)，圖 4-1(a)為其原理示意圖。可發現此類天線只需一射頻輸入訊號在中 間的天線饋入端，而藉由旁邊的寄生天線其上的二極體開關(diode switch)的開與 關來使得天線陣列場型最大值出現在θ
=
0 度或 270 度。圖 4-1(b)則是利用五元 件(five element)單極天線(monopole antenna)來實現切換寄生天線，藉由四個二極 體開關狀態不同可在 XY 平面上達成至少四個不同方向的波束切換。此種切換波 束式系統如果想要增加切換波束數目，只需增加同心圓上的寄生天線數目，並不 會增加系統所佔面積。[7](a) 切換寄生天線示意圖 (b) 以五元件單極天線實現切換寄生天線 圖 4-1、切換寄生天線結構
圖 4-2(a)為一種修正型的切換寄生天線結構，其寄生天線連接到變容二極體 (varactor diode)如圖 4-2(b)所示，此類天線原理源自圖 4-3(a)所示的八木-宇田天 線(Yagi-Uda antenna)。[8] 八木-宇田天線是基本上包含驅動元件(driven
element)、導波元件(director element)、與反射元件(reflector element)。其中驅動 元件多採用半波長偶極天線(half wavelength dipole antenna)或四分之波長單極天 線，典型的八木-宇田天線導波元件彼此的距離S 介於 0.2~0.35D λ 之間，而反射 元件距離S 則介於 0.15~0.25R λ 之間，而導波元件長度稍微小於驅動元件，反射
元件長度則稍微大於驅動元件。由實驗發現當導波元件數目增加時天線增益能獲 得提升，而各元件之間的長度與距離將會對天線之增益、輸入阻抗、場型增益前 後比(front-to-back ratio)、半功率波束寬度(half power beam width：HPBW) 等造 成影響。[9]
(a)天線示意圖 (b)天線各元件結構圖 圖 4-2、修正型的切換寄生天線結構
最簡單的八木-宇田天線為三元件八木-宇田天線，也就是只有一個導波元 件，根據實驗報告指出三元件八木-宇田天線最大可獲得增益約為 9dBi，而S 和D
S 約介於 0.15~0.25R λ 之間，導波元件比驅動元件短約 5%，反射元件則比驅動元 件長約 5%左右。圖 4-2(a)的天線即是利用類似圖 4-3(b)等距離的三元件八木-宇 田天線來實現切換寄生天線。[10]
圖 4-2(a)的六個寄生元件當其下方負載為一負電抗(negative reatance)時在電 磁波上(electric length)等效變短，即可視作三元件八木-宇田天線中的導波元件，
當其下方負載為一正電抗時在電磁波上等效變長，即可視作三元件八木-宇田天 線中的反射元件。[11] 圖 4-2(b)修正型的切換寄生天線是藉由改變其下方變容二 極體偏壓(bias)來改變電容值，由於變容二極體只提供不同的負電抗值，可藉由 預先將六個寄生元件實際長度些微增加，使六個寄生元件能夠成功的扮演導波元 件或反射元件。另外圖中的電阻(R)與電容(C)是用來阻隔高頻訊號與直流訊號。
(a)典型的八木-宇田天線結構 (b)等距離的三元件八木-宇田天線 圖 4-3、八木-宇田天線
圖 4-2 修正型的切換寄生天線相較於圖 4-1 傳統的切換寄生天線，多了幾項 優點，1、相較於傳統切換寄生天線是由寄生天線上固定的開關狀態來改變天線 場型，修正型的切換寄生天線可藉由最佳化各寄生天線上變容二極體的電容值來 獲得最大的天線增益，2、傳統切換寄生天線所使用的開關多以 PIN 二極體(PIN diode)實現，當開關導通時會有直流電流(DC current)通過，使得功率消耗增加。
而變容二極體則是藉由在逆偏狀態改變偏壓大小來改變電容大小，而其逆偏電流 相當小可視為零，使得修正型的切換寄生天線功率消耗大幅縮小。[12]