3.2 金屬柱牆號角陣列設計與量測
3.2.1 天線結構模擬
因應需要四方向性的需求，利用金屬銅柱把方形盒體分割成四個等腰直角區 塊，用單極天線(monopole)作訊號激發源，並以 E-plane 號角天線做為天線結構 以改善後波瓣(backlobe)與主波束(Main Beam)的強度差值，結構如圖3-2所示。
這樣的結構可以簡單地獲得四方面性的特點，並以此做為波束掃瞄的基礎天線結 構。
號角天線的設計很簡單，由相關書籍中皆可以找到詳細的設計流程，不過我 們在此是用短於波長的設計，即仰角金屬板長度小於欲設計頻率的波長，與一般 號角天線所設計的方向不同。結構特性主要是由兩個參數所決定，一個是改變號 角天線仰角金屬板的仰角角度，另外一個是改變號角天線仰角金屬板的長度。當 改變不同的仰角角度時，會影響到後波瓣與主波束的強度差值，並且些微增加增 益，如圖3-3所示。我們可以由圖3-3中看出來，當金屬板仰角越大時，後波瓣 與主波束的差值就會越高。而金屬板長度則會影響到主波束的增益(Gain)，如圖 3-4所示。隨著金屬擋板長度增加，增益也會隨著增加。
圖3-2 金屬柱牆號角陣列結構圖
(angle=40° horn_l=60mm)
24
realize gain angle=20o angle=30o angle=40o angle=50o
0
realize gain horn_l=40mm
我們選定100mm × 100mm的平行板來放入金屬銅柱隔成四個等腰直角 三角形空間，如圖 3-2 所示。號角天線的仰角金屬板長度為 60mm，仰角為 40 度。圖3-5為此結構天線的反射係數。由圖可知，天線頻寬由2.2GHz開始可以 使用到 3GHz 以上，涵蓋所希望設計的 2.4GHz，也包含住平面式放射性共振腔 功率分配器的設計工作頻率範圍。由圖3-6可知，單一天線開啟時在水平面(XY 平面)的-3dB頻寬約為左右各32度。由圖3-7可知，單一天線開啟時在鉛直面(XZ 平面)的-3dB頻寬約為上下各34度。從水平頻寬上來看，四埠之間水平面的-3dB 頻寬空間上沒有重複到，在經由高頻切換器來切換波束的搭配下，我們可以在水 平面上平均分割出四個垂直空間。每一次波束切換時只會接收到一個空間內的訊 號，不會受到其他空間的訊號影響，可以使用空間切換的方式來增加同時使用的 使用者數量，達到空間分割多工的效果。
2 2.2 2.4 2.6 2.8 3
Frequency(GHz) -20
-16 -12 -8 -4 0
S11(dB)
圖3-5 金屬柱牆號角陣列反射係數(模擬)
26
0
45
90
135
180 225
270
315
-20 -10 0 10
0
45
90
135
180 225
270
315
-20 -10 0 10
圖3-6 金屬柱牆號角陣列XY平面Realize Gain(模擬)
圖3-7 金屬柱牆號角陣列XZ平面Realize Gain(模擬)
我們還試著把仰角金屬板的兩旁邊給封閉起來，以觀察效果是否變好。結構 如下圖3-8所示。
從圖 3-9、圖 3-10 及圖 3-11 我們可以得知加上金屬側板的效果在反射參數 上的改變並不明顯，對於主波束增益上的增強也沒有明顯的增加，但是在後波瓣 增益的抑制就有著明顯的增加。不過我們為了製作與組合上的便利性，所以最後 還是以未加上金屬側板結構做為實作結構。
2 2.2 2.4 2.6 2.8 3
Frequency(GHz) -30
-20 -10 0
S11(dB)
S11
with side wall without side wall
圖3-8 金屬柱牆號角陣列加上兩金屬側板結構圖
(angle=40° horn_l=60mm)
圖3-9 金屬柱牆號角陣列加上兩金屬側板反射係數(模擬)
28
0
45
90
135
180 225
270
315
-30 -20 -10 0 10
XY pattern with side wall without side wall
0
45
90
135
180 225
270
315
-20 -10 0 10
XZ pattern with side wall without side wall
圖3-10 金屬柱牆號角陣列加上兩金屬側板XY平面Realize Gain(模擬)
圖3-11 金屬柱牆號角陣列加上兩金屬側板XZ平面Realize Gain(模擬)