第四章 介質合成波導應用於圓極化天線之設計
4.3 平面陣列天線之模擬與量測
4.3.2 天線實做與量測
圖 4-18 為加上主波導耦合饋入之 8x16 平面陣列天線示意圖，由微帶線轉接 至主波導後，再將能量分至八個分支波導，每一個分支波導上的 16 個元件為上 一節的線性陣列所構成。我們將實際情況考慮進去，以銅柱代替波導之金屬壁，
將等效波導寬度改成介質波導寬度，由於此架構為雙層電路板，在實作時我們再 加上對位孔方便以塑膠螺絲固定，表 4-9 為各項天線設計參數。
x z y
x z y
Lb
Wb
Lm
Wm
Port 1
Port 2 直徑3.0mm之對位孔
圖 4-18 加上主波導耦合饋入之圓極化 8x16 平面陣列天線
表 4-9 加上主波導耦合饋入之圓極化 8x16 平面陣列天線設計參數
L m W m L b W b
176mm 56.951mm 321.5mm 146mm
圖 4-19 為天線實作圖，導通孔為鑽孔後在表面鍍銅。圖 4-20 為天線反射損 耗量測與模擬比較圖，可以看到實際量測頻率從 11.7GHz 到 11.84GHz 以及 12.07GHz 到 12.7GHz 都在-10dB 以下，只有在 11.85GHz 到 12.06GHz 反射較多 約在-7dB 附近；而模擬值頻率從 11.7GHz 到 11.82GHz 以及 12.04GHz 到 12.7GHz 都在-10dB 以下，只有在 11.83GHz 到 12.03FGz 反射較多約在-8dB 附近。
(a)正面
(b)背面
(c)近照
上層板(天線輻射端)之 下層電路槽孔
下層板(分波器)之 上層電路槽孔
(d)槽孔對位近照
圖 4-19 天線實作照片 (a)正面 (b)背面 (c)近照 (d)槽孔對位近照
600MHz
11.7 11.8 11.9 12 12.1 12.2 12.3 12.4 12.5 12.6 12.7 Frequency [GHz]
-40 -30 -20 -10 0
Return Loss [dB]
Measurement Simulation
Measurement : 12.07GHz~12.7GHz Simulation : 12.04GHz~12.7GHz
圖 4-20 天線量測與模擬之反射損耗(S )比較圖 11
4.3.3 遠場輻射場型遠場輻射場型遠場輻射場型的模擬與量測遠場輻射場型的模擬與量測的模擬與量測的模擬與量測
圖 4-21 為此天線在邊射方向的軸比模擬與量測圖，可以看出 3dB 頻寬的量 測值從 12.15GHz 到 12.55GHz，有 400MHz 的頻寬，與模擬值 12.06GHz 到 12.59GHz 有 530MHz 的頻寬比較，趨勢接近但頻寬略為縮減了 130MHz，可能 是實做上的誤差。圖 4-22 為 yz 平面之遠場輻射場型的模擬與量測圖，我們將實 際 3dB 軸比頻寬內的幾個頻率點做比較，其操作頻率分別為 12.15GHz、
12.25GHz、12.35GHz、12.45GHz。圖 4-23 為統整量測的遠場輻射場型，可以看 出頻率增加時場型方向也是往順時針方向移動，與模擬狀況一致。
3dB AR Bandwidth f = 12.15G – 12.55GHz Measured AR min. : 0.565dB
圖 4-21 天線在邊射方向的軸比模擬與量測圖
Simulation : 21.69dBic Measurement : 19.66dBic
z
y
0
30
60
90
120
150 180
210 240
270 300
330
-30 -20 -10 0 10 20 30 yz pattern (f = 12.15GHz)
Measurement (RHCP) Simulation (RHCP) Measurement (LHCP) Simulation(LHCP)
(a) 12.15GHz
Simulation : 21.67dBic Measurement : 20.07dBic yz pattern (f = 12.25GHz)
Measurement (RHCP) Simulation (RHCP) Measurement (LHCP) Simulation (LHCP)
(b) 12.25GHz
Simulation : 21.14dBic Measurement : 20.06dBic
y yz pattern (f = 12.35GHz)
Measurement (RHCP) Simulation (RHCP) Measurement (LHCP) Simulation (LHCP)
(c) 12.35GHz
Simulation : 19.37dBic Measurement : 18.1dBic yz pattern (f = 12.45GHz)
Measurement (RHCP) 12.35GHz (d) 12.45GHz
0
圖 4-24 為xz平面之遠場輻射場型的模擬與量測圖，其操作頻率分別為 12.15GHz、12.25GHz、12.35GHz、12.45GHz。圖 4-25 為統整量測的遠場輻射場 型，其主波束角度會隨頻率增加而往逆時針方向移動。表 4-10、4-11 分別為天 線在 yz 平面以及xz平面的輻射場型之最大增值以及主波束方向。
表 4-10 天線在 yz 平面遠場輻射場型量測結果
頻率(GHz) 12.15 12.25 12.35 12.45 圓極化增益(dBic) 19.66 20.08 20.06 18.1
角度(degree) 1 2 4 6
Simulation : 21.49dBic Measurement : 19.3dBic
x z
0
30
60
90
120
150 180
210 240
270 300
330
-30 -20 -10 0 10 20 30 xz pattern (f = 12.15GHz)
Measurement (RHCP) Simulation (RHCP) Measurement (LHCP) Simulation (LHCP)
(a) 12.15GHz
Simulation : 20.32dBic Measurement : 19.26dBic xz pattern (f = 12.25GHz)
Measurement (RHCP)
Simulation : 16.09dBic Measurement : 15.05dBic
x xz pattern (f = 12.35GHz)
Measurement (RHCP) Simulation (RHCP) Measurement (LHCP) Simulation (LHCP)
(c) 12.35GHz
Simulation :9.44dBic Measurement : 8.38dBic xz pattern (f = 12.45GHz)
Measurement (RHCP) 12.35GHz (d) 12.45GHz
0
表 4-11 天線在xz平面遠場輻射場型量測結果
頻率(GHz) 12.15 12.25 12.35 12.45 圓極化增益(dBic) 19.3 19.26 15.05 8.38
角度(degree) -1 -3 -4 -6
圖 4-26 為 3D 模擬遠場輻射場型，可以由 yz 平面觀察到主波束的位置為往 順時針方向移動，由xz平面觀察到主波束的位置為往逆時針方向移動，右圓極 化的增益峰值變化很小，表 4-12 為右圓極化的模擬與量測之增益值。圖 4-27 為 量測頻率 12.3GHz 之輻射場型，圖 4-28 為元智球面近場量測系統的實測照片。
f = 11.7GHz f = 11.8GHz
f = 11.9GHz f = 12.0GHz
z
y x
y
z
x
y z
x
y z
x
(a) 11.7GHz~12.0GHz
f = 12.15GHz f = 12.25GHz
f = 12.35GHz f = 12.45GHz
y z
x
y z
x
y z
x y
z
x
(b) 12.15GHz~12.45GHz
圖 4-26 右圓極化 3D 模擬遠場輻射場型 (a)11.7GHz~12.0GHz (b)12.15GHz~12.45GHz
表 4-12 頻率 11.7GHz~12.45GHz 之右圓極化增益量測與模擬值 Frequency
(GHz)
11.7 11.8 11.9 12.0 12.15 12.25 12.35 12.45
Measured Gain (dBic)
20.67 20.93 20.42 21.71 19.66 20.39 21.15 20.87
Simulated Gain (dBic)
22.62 22.62 23.57 22.95 21.84 22.52 22.51 22.27
(a) 右圓極化
(b) 左圓極化
圖 4-27 操作頻率 12.3GHz 之近場量測 3D 場型(a)右圓極化 (b)左圓極化
AUT Probe
AUT
圖 4-28 元智大學球面近場量測系統
4.4 天線孔徑效率 天線孔徑效率 天線孔徑效率 天線孔徑效率
天線的孔徑效率
ε
ap（Aperture efficiency）是衡量天線物理面積下它所達到多少效率的指標。參考天線理論[20]一書中增益值可表示為 42 42
e ap P
G π A π ε A
λ λ
= = (4-12) 轉換（4-12）後，可得：
2 ap 4
p
G A ε λ
= ⋅ π (4-13)
其中：G 為天線輻射增益值，A 為天線物理面積。 p
天線的物理面積是以天線的最長邊乘以最寬邊的面積，不是以天線實際所佔 的面積來做計算。由（4-13）式可知，在得到天線的輻射增益值與天線的物理面 積後就可以去求得孔徑效率，我們利用量測增益值去計算 8x16 平面陣列天線之 效能，可以得到表 4-13。
我們計算了兩種天線面積的孔徑效率，第一種為原始定義的總面積，最長邊
乘以最寬邊A1=321.5mm×176mm，第二種為分支波導上實際的槽孔天線面積，
最長邊乘以最寬邊A2 =321.5mm×146mm。
表 4-13 利用量測增益計算之孔徑效率
頻率(GHz) 11.7 11.8 11.9 12.0 12.15 12.25 12.35 12.45
孔徑效率
ε
ap A, 1(面積A ) 1
10.26 10.89 9.68 13.03 8.13 9.62 11.45 10.74
孔徑效率
ε
ap A, 2(面積A ) 2
12.36 13.13 11.67 15.71 9.8 11.59 13.81 12.95
第五章 第五章 第五章
第五章 結論 結論 結論 結論
(Conclusion)
我們利用介質合成波導來實現圓極化高增益的陣列天線，所使用的元件為本 身就具有圓極化效果，因此藉由最佳化設計流程找出每一個具有良好圓極化槽孔 的元件，再利用相位補償的方式使各個元件得以等相位激發。在設計一排線性陣 列時所需考慮的是盡量讓能量可以在合成波導的末端用完，當剩餘能量小於 2%
時可避免末端用短路時所造成的反效果，即反彈能量太多使所需抑制的左圓極化 將原本激發的右圓極化波抵消。因此我們先計算出每個元件需輻射的能量，來找 出所需要的槽孔長度(與輻射能量成正比)，再進行最佳圓極化流程找出最適合的 元件。
圓極化的一項重要指標為 3dB 的軸比頻帶，由於設計 1x16 線性陣列時頻帶 很窄，所以我們再將此天線做成平面陣列，利用波導耦合饋入的方式由主介質波 導將能量送到各個分支介質波導，前端饋入的地方我們使用微帶線轉接波導的緩 變方式將準 TEM 波轉成TE 波，而微帶線的前端再用 50 歐姆的 SMA 接頭接收10 訊號。其圓極化量測結果使用的是元智大學的近場球面量測系統，量測與模擬的 軸比頻帶接近，有 400MHz 的頻寬，而量測的增益值不如預期，右圓極化的增益 值大約在 21dBic ，其推論原因為分波器的能量沒有使用完畢就被阻抗吸收，
本論文設計可再深入探討之改良：(1)將槽孔間距拉近成一半的導波波長，
可增加天線指向性。(2)將分支波導之間的距離拉遠不共用一排銅柱，可以改善 耦合效應。(3)饋入改成兩端 8x16 子天線將增益拉高到 30dBic，則可應用於 Ku 頻段的直播衛星或者固定衛星業務的下行頻段。因此使用雙層介質合成波導來實 現圓極化陣列天線是可行的，但能量饋入的方式還需要再做更進一步的改良，此 天線具備高指向性以及高增益的特性，並且在邊射方向具有高指向性的鉛筆束輻 射場型。
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