第五章 背接金屬共平面波導饋入的槽孔天線設計
5.3 天線應用延伸
5.2 節我們模擬也實際量測了設計的天線。由於 CBCPW 本身表面波傳播的 角度固定，加上爲了匹配槽孔的旋轉角度不能過大，使得設計出來的天線沒有辦 法呈現鉛筆束(pencil beam)的輻射場形，如圖 5-20 XY 切面 theta 方向(z-pol)的極 化呈現一conical 的場形。於是本論文繼續探討，利用四片天線組成的陣列讓電 場的向量和在YZ、XY 切面上，抵消後只剩ㄧ個方向。
5.3.2 槽孔的平移
圖 5-5 表示了波導末端的短路離最後一個槽孔為ㄧ倍
λ
s。從傳輸線理論我們 知道，對阻抗而言每隔二分之ㄧ波長就會重複，不需要到一倍的波長，所以我們 可以將槽孔向短路邊緣靠近二分之ㄧ波長，這樣仍可維持阻抗的匹配，不過槽孔 內的電場與之前的設計會呈現反向的效果，如圖5-28 所示。圖5-28 全部槽孔向短路端平移 0.5 波長示意圖
圖5-28 中標示了槽孔內電場的方向，與圖 5-17 相比剛好為反向。接下來我們再 觀察只將下半部的槽孔向短路邊緣靠近二分之ㄧ波長，其槽孔的電場分佈如圖 5-29。
圖5-29 下半部槽孔向短路端平移 0.5 波長示意圖
5.3.3 天線陣列設計
由上ㄧ小節我們知道控制槽孔的位置可以決定槽孔內電場的極化，利用這個 方法可以發展出如圖5-30 的陣列。圖 5-30 為由四片扇型天線組成的天線示意 圖，為了讓最後槽孔的電場抵消只剩同ㄧ方向，我們必須改變四片天線上槽孔的 位置。假設四片天線同相位饋入，標示1 的天線，槽孔位置不改變；標示 2 的天 線，右半邊的槽孔向短路端平移0.5
λ
s；標示3 的天線，所有槽孔都要向短路端 平移0.5λ
s；標示4 的天線，右半邊槽孔向短路端平移 0.5λ
s。最後圖形會呈現 上下完全對稱，每ㄧ面天線上槽孔內的電場也標示在圖上。我們不難發現將這些 電場分解成X、Z 方向後， Z 方向上的電場會全部同向，而 X 方向上的電場則 會呈現左右、上下相反對稱，所以可以預期在YZ 切面與 XY 切面的輻射場形只 會有ㄧ個方向的極化。圖5-30 四片扇型天線組成的天線陣列及槽孔內電場分解示意圖
5.3.4 饋入電路設計
不同於 5.2.2 節的饋入電路，要運用在圖 5-30 的天線饋入必須是一分四的 分配電路，且必須使用50 歐姆的同軸電纜接到 4 片輸入阻抗為 100 歐姆的天線 端。從電路並聯觀點來看，天線本來該設計在200 歐姆，但是對 CBCPW 來說 200 歐姆阻抗線的 s 為 0.1mm，過細的電路不容易實現，所以我們仍舊維持在 100 歐姆，匹配的部份就用四分之ㄧ波長轉換來實現。
要使用四分之ㄧ波長轉換將 100 歐姆匹配到 200 歐姆，需要的是特性阻抗 141 歐姆的傳輸線，其 s=0.18mm、g=1mm。12GHz 的訊號在該尺寸的傳輸線上 波長為16.23mm，四分之ㄧ波長約為 4.06mm。圖 5-31、5-32 為分配電路的俯視 圖及側視圖。圖5-33 為模擬的 S 參數，S11 在該頻段全小於-15dB，而 S21、S31、
S41、S51 則約為-6dB，代表能量達到一分四的效果。
圖 5-31 饋入電路俯視圖 圖 5-32 饋入電路側視圖
圖5-33 饋入電路 S 參數模擬
5.3.5 天線與饋入電路示意圖
圖 5-34 為我們將饋入電路及天線做結合後的示意圖，並把圖 5-30 中天線跟 天線之間的空白用基板補起來，另外在圖上也標示了鍍銅將上下兩板連接導通的 地方。
圖5-34 天線與饋入電路合併示意圖
5.3.6 天線 S 參數模擬與量測
圖 5-35 為最後天線的 S 參數模擬與量測結果，在 12GHz 的地方 S11 約為 -15dB，頻寬約 920MHz。
圖5-35 天線 S 參數模擬與量測結果
5.3.7 天線輻射場形模擬與量測
圖
5-36 為 12GHz 時 YZ 切面的輻射場型，這個切面只存在 theta(z-pol)的極 化，其量測增益為25.98dBi；圖 5-37 為 12GHz 時 XY 切面的輻射場型，這個切 面只存在phi(z-pol)的極化，其量測增益為 25.0dBi。
圖5-36 12GHz YZ 切面輻射場型 圖 5-37 12GHz XY 切面輻射場型
由圖 5-36 及圖 5-37 我們不難發現組合起來的 3D 場形為一指向 broadside 的 鉛筆束場形，原因在於這兩個切面上只會收到Z 方向的電場，而 X 方向的電場 因為上下、左右的反對稱而被抵銷，如此一來可以提高天線的指向性，其3dBi 的波束寬約為4 度。圖 5-38 為隨頻率變化的 YZ 切面輻射場形，我們發現場形 只有輻射增益隨頻率變化，主波束角度始終維持在broadside 方向。
圖5-38 隨頻率變化的 YZ 切面量測輻射場形
5.3.7 天線實體照片
圖
5-39 為電路的俯看圖；圖 5-40 為電路的側視圖；圖 5-41 為天線板材邊緣 鍍銅；圖5-42 為電路背面使用同軸電纜饋入。圖5-39 電路俯看圖
圖5-40 電路側視圖
圖5-41 天線板材邊緣鍍銅
圖5-42 電路背面使用同軸電纜饋入
第六章 結論
利用全波分析(SDA)可以求得背接金屬共平面波導的傳播常數以及了解其 表面洩露波特性。在CBCPW 上層金屬地適當位置蝕刻矩形槽孔，由於所有槽孔 被同相位激發，在broadside 方向會有建設性干涉，但是由於槽孔設計的侷限，
還不能得到指向性高的鉛筆束(pencil beam)輻射場形。藉由分析矩形槽孔等效電 路，適當的設計能讓輸入端匹配到50 歐姆，並且用 SMA 接頭或同軸電纜實現。
爲了克服輻射場形不集中的問題，我們延伸ㄧ片天線至輻射狀的四片天線，
改變每片天線上槽孔的位置來得到適當的電場分佈，向量抵銷後在主要的切面上 我們得到同ㄧ方向的電場總和，最終可得一指向性高的鉛筆束(pencil beam)輻射 場形。
參 考 文 獻
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Appendix (A)
將 (A-9)乘k 加上 (A-10)乘x