第五章 背接金屬共平面波導饋入的槽孔天線設計
5.4 天線設計之延伸
5.4.2 天線陣列改變與設計
由5.4.1 節的推斷後，我們想去除掉上下兩片天線的影響，改成只有三片天
線所組成的天線陣列，其形狀像似菱形結構，如圖5-59所示。
圖5-59 三片天線組成的天線陣列
在前一個天線我們設計一片天線的槽孔排數為16 排槽孔是因為考慮到整體
組合後可以實作的大小。但是如果只做成三片的天線陣列，則可以試著加大槽孔 的排數。因此，我們在將槽孔排數加多至28排槽孔，所使用的板材還是為RO4003
板材ε ＝r 3.55 , 板材厚度 h＝1.524mm , CBCPW 尺寸同樣為 s＝0.8mm , g＝
2.6mm，每排槽孔所需要旋轉角度同樣的也是去對照表 5-1，再分別模擬每片天
線的輻射場形，看效果是否為我們所需求。
圖5-60 模擬28排槽孔鳶形天線示意圖
s = 0.8mm g = 2.6mm h = 1.524mm = 3.55
short short εr
100Ω input
440.64 mm
391.90 mm
s = 0.8mm g = 2.6mm h = 1.524mm = 3.55
short short εr
100Ω input
440.64 mm
391.90 mm
圖5-60為28排槽孔的鳶形天線示意圖。圖5-61與圖5-62分別為28排槽孔
為防止洩漏波漏掉能量，因為只做三片天線陣列，所以邊邊是切掉的部份而不會 干擾到其他位置。
圖5-64與圖5-65分別為28排槽孔的半片鳶形天線在12GHz時的XZ-plane
與YZ-plane的輻射場型，而它們在theta為0°時（Z軸上）的增益為24.7247dBi，
所得εap =16.71 %，而之前設計的 16 排槽孔半片鳶形天線最大增益為 21.0229 dBi，足足多了3.7dBi，其效果也大於兩片16排槽孔半片鳶形天線的增益。
圖5-64 模擬半片鳶形天線XZ-plane 圖5-65 模擬半片鳶形天線YZ-plane
接著就將整體的三片天線組合在一起，形成一個天線陣列，因為形狀如同菱
形，所以將它稱為菱形天線。圖5-66為菱形天線的槽孔電場示意圖。
圖5-66 菱形天線的槽孔電場示意圖
simulation Max. gain(-1°) = 25.0332 dBi
x z
simulation Max. gain(-1°) = 25.0332 dBi
x z
y z
simulation Max. gain(1°) = 25.1256 dBi
y z
simulation Max. gain(1°) = 25.1256 dBi
5.4.3 天線饋入端電路
在設計饋入電路結構時，不管是前面的一分八電路或是接下來的一分三電
路，我們都是以所設計天線組合後的結構中，所剩下的空間形狀來有效設計饋入 端電路。接著我們設計一分三電路結構，而設計的方式與5.2.2 節的方式有些許 的不同。
在饋入 port 阻抗為 50Ω ，而一分三電路每路的阻抗需為 150Ω 。因為阻抗
沒有非常高是微帶線不用太細就能夠到達的阻抗，所以不需要4分之1波長轉換 電路，改成依靠路徑來作線性緩變的方式來從150Ω 緩變到133Ω 。沒有直接緩 變到天線端的阻抗100Ω 是因為微帶線100Ω 的線寬比我們能夠放置CBCPW的 尺寸還要大，所以就只緩變到 133Ω 。再來就是 CBCPW 結構由 133Ω 緩變到 100Ω ，但是與前面一分八電路的指數緩變方式不同，因為能夠緩變的距離少了 至少三分之二的距離，所以用指數緩變的方式沒有比線性緩變的方式效果好。整 體一分三電路結構圖，如圖5-67所示。圖5-67中port 1往 port 3的路徑中黑色 虛線方塊所走的路徑是為了使port 1到port 2與port 3在12GHz時的相位相同。
1
3
2
4
( shift 180 ° )
input
0.5*
λ
s 25.73 mm10.66 mm
1
3
2
4
( shift 180 ° )
input
0.5*
λ
s 13
2
4
( shift 180 ° )
input
0.5*
λ
s 25.73 mm10.66 mm
圖5-68 饋入一分三電路側視圖
圖5-69 為饋入一分三電路的 S參數模擬結果，在一分三電路的能量分給每
一路最好的情況在-4.77dB，我們可以看到在這個結構所模擬的結果大概在-5.1dB 左右，且S11也可以到達-30dB附近。圖5-70為中心饋入到每一路的相位，可以
看到port 2與port 3到port 4相位在12GHz時大概差到180°。圖5-71為觀察其
中兩個相位差180°的port的相位差（port 2與port 4），可以看到他們之間的相位
差在12GHz時大概差180°。我們可以看到在一分三電路的相位做的比較好是因
為空間上能夠比較多利用的地方，相較一分八電路就比較沒辦法。
圖5-69 饋入一分八電路S參數模擬結果
50Ω input
50Ω input
圖5-70 饋入一分三電路相位模擬結果
圖5-71 饋入一分三電路port2與port4的相位差
5.4.4 天線與饋入電路合併
將前兩節的三片天線組成之天線陣列與餽入一分三電路合併後，整體的菱形
天線結構尺寸示意圖如圖5-72所示。
圖5-72 天線與饋入架構合併示意電路
5.4.5 天線 S 參數模擬與量測結果
圖5-73 天線S參數模擬與量測結果
451.30 mm
789.59 mm
451.30 mm
789.59 mm
simulation： 11.28 ～ 12.50 measurement： 10.03 ～ 14.23 simulation： 11.28 ～ 12.50 measurement： 10.03 ～ 14.23
圖5-73為實作天線的S參數模擬與量測結果對照。在12GHz時量測天線的
return loss為-27.96 dB。其量測天線的頻寬範圍在10.03GHz～14.23GHz。
5.4.6 天線場形模擬與量測結果
在我們所設計的菱形天線結構中，我們將以圖 5-74 來表達每片天線槽孔所
產生的電場示意圖，來方便觀察之後輻射場形圖的情況。
圖5-74 菱形天線槽孔輻射電場示意圖
圖5-75 12GHz XZ切面theta極化 圖5-76 12GHz XZ切面phi極化 圖5-75為天線在12GHz時XZ切面的theta極化輻射場形。圖5-76為天線
simulation Max. gain(0°) = 30.8967 dBi measurement Max. gain(0°) = 30.0014 dBi
x
12GHz
zsimulation Max. gain(0°) = 30.8967 dBi measurement Max. gain(0°) = 30.0014 dBi
x
12GHz
zsimulation Max. gain(-2°) = 20.9466 dBi measurement Max. gain(2°) = 19.8981 dBi
x
12GHz
zsimulation Max. gain(-2°) = 20.9466 dBi measurement Max. gain(2°) = 19.8981 dBi
x
12GHz
z的電場為同向，而 ˆy 方向的電場為抵消，所以由theta極化會得到一broadside輻 射場形，量測到最大增益為30.0014dBi，所得εap =13.96 %。不過量測的side-lobe 跳起來，而在phi極化因為在非z軸上沒有完全抵消，所以輻射場形會有兩邊跳 上來的現象。
圖5-77 12GHz YZ切面theta極化 圖5-78 12GHz YZ切面phi極化 圖5-77為天線在12GHz時YZ切面的theta極化輻射場形。圖5-78為天線
在12GHz時YZ切面的phi極化輻射場形。跟XZ切面相同的道理，因為在ˆx方
向的電場為同向，而 ˆy 方向的電場為抵消，所以由 phi 極化會得到一 broadside 輻射場形，量測到最大增益為30.1420dBi，所得εap =14.42 %。量測的side-lobe 也是跳起來，而theta極化因為在y軸上，上下 ˆy 方向電場抵消，所以會很小。
圖5-79為菱形天線在附近頻率11.6GHz～12.4GHz 時XZ切面的theta極化
輻射場形。因為XZ切面上的phi極化抵消而增益很小，所以只放上在XZ切面
上的 theta 極化場形。圖5-80 為菱形天線在附近頻率 11.6GHz～12.4GHz 時 YZ
切面的phi極化輻射場形。同理，因為在YZ切面上的theta極化抵消而增益很小，
所以只放上在YZ切面上的phi極化場形。
simulation Max. gain(2°) = -0.3171 dBi measurement Max. gain(1°) = 5.9267 dBi
y
12GHz
zsimulation Max. gain(2°) = -0.3171 dBi measurement Max. gain(1°) = 5.9267 dBi
y
12GHz
zsimulation Max. gain(0°) = 30.8967 dBi measurement Max. gain(0°) = 30.1420 dBi
y
12GHz
zsimulation Max. gain(0°) = 30.8967 dBi measurement Max. gain(0°) = 30.1420 dBi
y
12GHz
zsimulation Max. gain(-2°) = 19.9918 dBi measurement Max. gain(2°) = 20.9616 dBi
x
11.6GHz
zsimulation Max. gain(-2°) = 19.9918 dBi measurement Max. gain(2°) = 20.9616 dBi
x
11.6GHz
zsimulation Max. gain(0°) = 25.7356 dBi measurement Max. gain(0°) = 27.3957 dBi
x
11.8GHz
zsimulation Max. gain(0°) = 25.7356 dBi measurement Max. gain(0°) = 27.3957 dBi
x
11.8GHz
zsimulation Max. gain(0°) = 25.8212 dBi measurement Max. gain(0°) = 26.9748 dBi
x
12.2GHz
zsimulation Max. gain(0°) = 25.8212 dBi measurement Max. gain(0°) = 26.9748 dBi
x
12.2GHz
zsimulation Max. gain(2°) = 20.6113 dBi measurement Max. gain(3°) = 21.9454 dBi
x
12.4GHz
zsimulation Max. gain(2°) = 20.6113 dBi measurement Max. gain(3°) = 21.9454 dBi
x
12.4GHz
z圖5-80 YZ切面隨頻率變化的phi極化輻射場形
simulation Max. gain(-4°) = 25.6121 dBi measurement Max. gain(-5°) = 26.6395 dBi
y
11.6GHz
zsimulation Max. gain(-4°) = 25.6121 dBi measurement Max. gain(-5°) = 26.6395 dBi
y
11.6GHz
zsimulation Max. gain(-2°) = 28.5363 dBi measurement Max. gain(-3°) = 29.0846 dBi
y
11.8GHz
zsimulation Max. gain(-2°) = 28.5363 dBi measurement Max. gain(-3°) = 29.0846 dBi
y
11.8GHz
zsimulation Max. gain(2°) = 27.8372 dBi measurement Max. gain(2°) = 29.9802 dBi
y
12.2GHz
zsimulation Max. gain(2°) = 27.8372 dBi measurement Max. gain(2°) = 29.9802 dBi
y
12.2GHz
zsimulation Max. gain(4°) = 24.3560 dBi measurement Max. gain(4°) = 27.1295 dBi
y
12.4GHz
zsimulation Max. gain(4°) = 24.3560 dBi measurement Max. gain(4°) = 27.1295 dBi
y
12.4GHz
z5.4.7 實作天線照片
圖5-81為實作天線正面的照片。圖5-82為實作天線反面的照片。圖5-83、
圖5-84分別為實作饋入一分八電路的正反面照片。圖5-85為實作天線側面鍍銅 導通的照片。
圖5-81 實作天線正面的照片
圖5-83 饋入一分三電路的正面照片 圖5-84 饋入一分三電路的反面照片
圖5-85 實作天線側面鍍銅導通照片
第六章 結論
首先經由全波分析去分析背接金屬共平面波導（CBCPW）結構的傳播常數
後，可了解此結構會產生向兩側洩漏的洩漏波，也藉由模擬去驗證此現象。而洩 漏波往兩側行走如同行進在平板金屬波導（PPW），再將矩形槽孔挖置在CBCPW 兩側的上層金屬，利用矩形槽孔來使波導內的波輻射出去來產生 broadside 的輻 射方向。我們也經由理論推導與分析在PPW上旋轉槽孔的阻抗值與所等效的串 聯電路，利用其等效電路模型來產生一個鳶形結構的天線。
為了找出使輻射效益更好的結果，經由槽孔輻射電場的推論，來找出使電場
分量效益最好的擺設方式，使天線的孔徑效率能夠提高，而得到高輻射效益結 果，再經過模擬驗證其現象。接著來找出最佳的天線陣列擺設方式，來使天線的 輻射增益能夠更高，最後延伸至八片天線陣列，且實作並對照其模擬結果，得到
broadside輻射方向而且為一個指向性高的鉛筆束(pencil beam)輻射場形，且量測
到最大增益為29.39dBi，所得εap =12.23 %。
再接著探討能否使天線的輻射效率能夠更好，我們經由近場平面量測天線輻
射能量分佈情形，了解其上下兩片天線效率不高，改變天線陣列方式，最後得到 第二種天線為三片天線組成天線陣列的菱形天線形狀，且將槽孔排數增加，最後 將它實作與模擬對照結果，而量測到最大增益為30.14dBi，所得εap =14.42 %。
參 考 文 獻
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