微波移動器與流速間相互關係

儀科中心致力於本土水文儀器開發為方向，102 年已針對雷達波水文儀器天 線進行研製，103 年則針對其都卜勒探頭(微波移動器)與流速間相互關係進行評 估，透過構造簡單的介質諧振器形成微波移動器穩定振盪源，此架構可有效縮小 電路板尺寸，並藉由振盪器放大電路、槽孔天線、低通濾波器與金屬製螺絲，驗

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證該探頭之可行性及水面流速間相互關係，預期將可提供未來國內製作雷達波流 速計參考。

雷達波都卜勒探頭模組上感測理論是以都普勒效應(Doppler effect)為基礎，

都普勒效應是當波源與水流方向之間有相對運動時，則雷達波都卜勒探頭模組接 收到波的頻率與波源發出的頻率並不相同的現象。當水面流速方向與雷達波都卜 勒探頭模組上波源的方向順向移動時，接收到的頻率會上升；反之，若水面流速 方向朝著雷達波都卜勒探頭模組上波源反方向移動時，則都普勒頻率頻率會下降。

雷達波都卜勒探頭模組所接收到的頻率與波源所發出頻率的頻率差即為都普勒 頻率(Doppler frequency)，也稱作都普勒偏移(Doppler shift)。因此，若能得知都 普勒頻率，將可透過公式推算出水面流速之速度。 圖 14 為雷達波都卜勒探頭模 組架構，振盪器使用平行回授式介質諧振器來產生穩定振盪源。平行回授型介質 諧振振盪器是利用傳輸係數(Transmission Coefficient)大於 1 的概念，在此設計下，

介質諧振器為一帶通濾波器(Band-Pass Filter)，利用兩條微帶線連接到放大器的 輸出及輸入端，並將訊號耦合至介質諧振器，而放大器的增益需大於介質諧振器 的注入損耗(Insertion Loss)，且整個迴路之相位為 2π 的整數倍，其等效電路示意 圖如圖 15 所示。

圖 14、雷達波都卜勒探頭模組(微波移動器)架構

先利用高 頻 電 路 模擬軟體(Agilent ADS)找出放大器在偏壓點時的相位，接著再 找出介質諧振器與回授電路的相位，調整微帶線的長度使回授電路的相位達

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圖 15、平行回授式介質諧振器架構電路等效電路

最佳化，用此回授電路配合放大器電路使整體電路總相位為 2π 的整數倍，

如此可使諧振電路正常工作在諧振頻率上。當介質諧振器(DR)與兩條微帶線較近，

也就是耦合量較大時，介質諧振器頻率(DRO)可調的範圍較大，但相位雜訊(Phase Noise)較差且效率亦較差。振盪器以使用 NEC 公司的 2SC5508 雙極性電晶體作 為偏壓電路主動元件，其優點為具有低 1/f 雜訊特性，而 2SC5508 的電流增益截 止頻率 25GHz，遠高於本機希望 10GHz 工作頻率。在電晶體偏壓方面，考慮到 增益增加故選擇電晶體偏壓方式。經過模擬後可得在 10.53GHz 狀況下之增益與 相位分別為 4.318dB∠-81.23。板材考慮到損耗問題，故選用 ISOLA 公司生產的 IS680-338 ， 其 介 電 係 數 ， 厚 度 H=0.508mm ， 損 耗 正 切 角 Loss Tangent=0.0035。圖 16 為微波移動器介質諧振器與微帶線模擬圖。

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圖 16、微波移動器介質諧振器與微帶線模擬圖

水面流速計之雷達波都卜勒探頭是使用 HFSS (High Frequency Structure Simulator) 電磁模擬軟體設計槽孔天線，天線設計目標為於需求頻帶內天線將可 達到-10dB 以下。並用在微帶天線的金屬微片表面植入槽孔或裂隙，以干擾微帶 天線金屬微片的表面電流分佈的架構進行天線模擬。圖 17 為槽孔天線模擬圖，

綠色部分為 ISOLA 公司的 IS680-338 板材，橘色部分為饋入線放置在 TOP 層，

T 字形槽孔天線放置在 Bottom 層。

圖 17、槽孔天線模擬與尺寸圖

槽孔天線模擬結果其中心頻率為 10.5625GHz，反射損耗為-14.18dB，頻寬 範圍約 9.3GHz 至 12GHz 共 2.7GHz，包含了雷達波都卜勒探頭模組的工作頻率

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與低通濾波器。由於介質諧振振盪器需要加蓋金屬殼來形成穩定振盪，經過測量 後發現當金屬板距離介質諧振器的高度為 7mm 時會有最好的響應點。

圖 18、3D 輻射場型圖

圖 20 為高度 7mm 的金屬殼與感測模組結合圖，可利用上方螺絲來調整中心 頻率，右排接腳分別為電壓輸入、接地與中頻輸出端。雷達波都卜勒探頭金屬模 組的振盪器使用介質諧振器架構完成穩定振盪源，振盪頻率為 10.5GHz，介質諧 振器與回授電路使用平行回授式架構，能有效減小電路板面積與減少變數的產生，

混頻器使用二極體完成混頻的動作，成本較低且結構簡單，天線採用槽孔天線設 計，可有效利用接地面積且尺寸較小，經過測試後模組輸出功率為-3.2dBm，振 盪頻率為 10.5GHz，與設計的目標頻率相同，有效測距距離為 5 公尺以上。

圖 19、雷達波都卜勒探頭模組實體

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圖 20、雷達波都卜勒探頭金屬模組實體

雷達波都卜勒探頭模組的振盪器使用介質諧振器架構完成穩定振盪源，振盪 頻率 10.5GHz，介質諧振器與回授電路使用平行回授式架構，能有效減小電路板 面積與減少變數的產生，混頻器使用二極體完成混頻的動作，成本較低且結構簡

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