第二章 極化天線設計原理
3.4 心得與討論
利用 pin diodes 來設計出四極化微帶天線，經過量測後可發現與 在本章裡成功的
模擬非常接近。藉由控制 pin diodes 的直流偏壓來改變天線相對的共振結構，藉此激 發不同的模態，即可以達雙線性極化以及雙圓極化的輻射場形，突破以往在單一天線端 只有某些特定極化的限制，此項設計提高整合性通訊系統架構可以使用極化掃瞄技術的 可行性。
第四章 四極化槽孔耦合微帶天線設計
（A Novel Reconfigurable Antenna for
微帶天線由於其低成本、低姿態（low profile）、製造簡單並且容易與主動電路結
天線的極化狀態除了可以利用天線共振結構來達到不同的極化之外，利用不同的饋
Aperture Coupled Patch Quadri-Polarization Diversity）
合，所以常被用於通訊系統中，如個人行動通訊以及衛星通訊中，但微帶天線卻會受限 於其窄頻的特性。近年來槽孔耦合微帶天線被廣泛的討論及研究[12]-[21]，由於其利 用較厚的空氣介質來改善傳統微帶天線窄頻的特性。槽孔耦合微帶天線除了有較大的頻 寬之外，由於槽孔耦合微帶天線是以多層基板堆疊設計而成，訊號餽入端與天線端有一 共同接地面，這使得饋入電路端與天線端有較好的隔離，天線輻射亦較不會受到饋入電 路端所影響。
入訊號亦即可以達成不同的極化狀態，在第三章中成功的利用 pin diodes 設計出四極 化微帶天線，其原理就是利用控制 pin diodes 的偏壓來改變天線相對應共振的結構，
藉由在不同直流偏壓狀態下激發不同的模態輻射。在本章中，欲利用 pin diodes 設計 出四極化槽孔耦合天線，較第三章所不同的，除了利用槽孔耦合天線利用厚空氣介質達 到較大的頻寬之外，本章是將 pin diodes 嵌入在槽孔耦合天線的饋入端，藉由控制直 流偏壓來切換天線饋入訊號，來達成雙線性極化以及雙圓極化場形輻射。當直流偏壓為 正偏壓時，此槽孔耦合天線為雙圓極化操作；當直流偏壓為負偏壓時，此槽孔耦合天線 為雙線性極化操作。
4.1 概述 power divider）來提供此兩相互正交模態 90 度的相位差，以達成圓極化場 形輻射。
[4]-[10]即是利用上述第一種方法，為利用控制 pin diodes 的導通與否來改變整體天 線相對應共振的結構，來達成極化狀態的改變。在第三章中，我們亦成功的利用 pin diodes 設計一四極化微帶天線，其極化狀態可以藉由控制 pin diodes 的偏壓來切換於 雙圓極化以及雙線性極化之間，其原理亦是利用控制 pin diodes 的導通與否來改變天 線相對的共振結構，來激發不同的模態。
圖 4-1、雙線性極化槽孔天線
圖 4-2、圓極化槽孔天線
在本章中，我們試圖以第二種方法，亦即給定不同的饋入訊號來達成極化狀態的切
2 天線設計原理
耦合天線架構圖，設計概念即為以四阜槽孔耦合天線作為出發 換。本章所設計的天線是以槽孔耦合微帶天線為設計出發，除了因為槽孔耦合微帶天線 有較大的頻寬之外，更由於槽孔耦合微帶天線是以多層基板堆疊設計而成，訊號饋入端 與天線端有一共同接地面，這使得饋入電路端與天線端有較好的隔離，天線輻射亦較不 會受到饋入電路端所影響，所以非常適合與主動電路結合設計。本章設計重點是利用將 pin diodes 鑲入於槽孔耦合微帶天線的饋入端，藉由控制 pin diodes 的導通與否來決 定饋入端的微帶線結構。
4.
圖 4-3 為四阜槽孔
點，當給定各阜不同饋入訊號時，此四阜槽孔天線即有不同的極化特性表現。例如訊號 由 port 1 和 port 2 饋入時，若給定相同的訊號振幅大小以及相位時，槽孔耦合天線為 雙線性極化輻射，此時 port 3 和 port 4 為開路；若訊號由 port 3 和 port 4 饋入時，
若給定相同的訊號振幅大小以及 90 度的相位差時，槽孔耦合天線為圓極化輻射，此時 port 1 和 port 2 為開路。
Air layer h=1mm
layer 1 (patch)
feeding network patch substrate (FR4 , 0.8mm)
feeding substrate (FR4 , 0.8mm) （a）側視圖
（b）矩形 patch 天線 （c）耦合槽孔與接地面
（d）、饋入端
圖 4-3、四埠槽孔耦合天線
本章所設計的槽孔耦合天線，設計概念即為以四阜槽孔耦合天線作為出發點，藉由
控制 pin diodes 的導通以及適當的設計饋入訊號端，來達到雙線性極化以及雙圓極化 的極化特性，圖 4-4 為本章所設計之四極化槽孔耦合天線架構圖，主要包含三部份，第 一部份為矩形 patch 天線，矩形 patch 天線的寬度設計共振於 5.25GHz；第二部份為接 地面，接地面上有四個槽孔以提供不同饋入訊號耦合至 patch；第二部份為饋入端，在 饋入端的微帶線上嵌入 8 顆 pin diodes，藉由控制 pin diodes 的偏壓，可以使得訊號 經由不同的饋入路徑經過槽孔耦合至 patch 天線上，來達到不同的極化狀態，訊號饋入 端與耦合槽孔分別印刷在饋入介質（feeding substrate）的兩面。
Air layer h=1mm
layer 1 (patch)
feeding network patch substrate (FR4 , 0.8mm)
feeding substrate (FR4 , 0.8mm)
（a）側視圖
（b）矩形 patch 天線 （c）耦合槽孔與接地面
（d）、饋入網路
圖 4-4、四極化槽孔耦合天線
本章所設計之四極化槽孔耦合天線的饋入介質（feeding substrate）以及 patch 天線介質（patch substrate）皆使用板厚為 0.8mm 介電係數為 4.4 的 FR4 基板，兩介 質基板有高度 h 的空氣介質，如圖 4-4（a）所示。圖 4-4（b）所示，為一矩形 patch 天線，矩形 patch 天線的寬度Lp =18.2mm，主要設計共振於 5.25GHz。圖 4-4（c）接 地面，接地面上有四個耦合槽孔 利用此四個槽孔耦合至 patch 天線上，槽孔 長度 Ls=9.8mm，槽孔寬度 Ws=0.55mm。圖 4-4（d）為饋入網路，其中包含八顆 pin diodes 以及直流偏壓電路，除了直流偏壓電路之外，微帶線寬皆為 50
，微帶線即
Ω 線寬。
4.2.1 饋入網路
diodes 嵌入饋入微帶線路之間，控制直流偏壓電路即可以造成 pin diodes 有不同的導 通狀態。利用一端接地的四分之ㄧ波長的細線分別連接至cab線段、de線段與 fg 線段，
同振幅大小以及 90 度的相位差，並且經由適當的設計，將此兩個訊號作正交饋入，經 pin diodes，而這種利用金屬片等效 pin diodes 導通的方式在[9]中已經被提出以及證 明。圖 4-5 為本章四極化槽孔耦合天線在雙圓極化操作時的實作照片，其中以金屬片來 代替導通的 D1、 D2 、D3 、D4。圖 4-6 為在雙線性極化操作時的實作照片，其中以金 屬片來代替導通的 D5、 D6 、D7 、D8。
圖 4-5、雙圓極化槽孔耦合天線饋入端實作照片
圖 4-7 和圖 4-8 為四極化槽孔耦合天線在雙圓極化及雙線性極化所量測的反射損
頻 從
圖 4-6、雙線性極化槽孔耦合天線饋入端實作照片
耗，其中定義S11和S 1皆在-10dB 以下的頻率範圍為操作頻寬。如圖 4-7 所示雙圓極化 實際量測之操作 寬 5.14GHz 到 5.43GHz，頻寬從約為 5.5%。如圖 4-8 所示雙線性極 化實際量測之操作頻寬從 5.06GHz 到 5.41GHz 為 6.8%。圖 4-9 和圖 4-10 為此四極化槽 孔耦合天線在雙圓極化以及雙線性極化時所量測之輻射場型，圖 4-1 為四極化槽孔耦合
2
天線之效能評估，其內容為在不同極化狀態之量測結果。
圖 4-7、雙圓極化反射損耗圖
圖 4-8、雙線性極化反射損耗圖
圖 4-9、雙圓極化輻射場形
（a） xz 平面輻射場形
（b）yz 平面輻射場形 圖 4-10、雙線性極化輻射場形
天線效能 極化狀態 中心頻率 GHz） 頻寬（MHz，%） （ 增益 天線量測 雙圓極化 5.273 290，5.5% 3.55dBic 天線量測 雙線性極化 5.3 356，6.7% 4.5dBi
表 4-1、四極化槽孔耦合天線量測效能表
4 心得與討論
念是將 pin diodes 嵌入在槽孔耦合天線的饋入端，藉著控制 pin 4.
本章中的設計概
diodes 的導通與否，即可以切換饋入訊號流經的路徑。在實作量測方面，由於礙於目前 所取得的 pin diodes 無法在所設計的頻帶內有較好的隔離度，所以用等效金屬片的有 無來代替 pin diodes 的導通與否來證明設計的理念以及結果，經過等效金屬片所實作
量測的天線效能，可以證實藉由 pin diodes 的切換，亦即等效金屬片的有無，天線可 以達到雙圓極化以及雙線性極化輻射。本章的設計除了利用槽孔耦合天線有較厚的空氣 介質，來改善傳統微帶天線窄頻的特性之外，亦利用槽孔耦合微帶天線是以多層基板堆 疊設計而成的特性，若將 pin diodes 嵌入在槽孔耦合天線的饋入端時，由於訊號餽入 端與天線端有一共同接地面，這使得饋入電路端與天線端有較好的隔離，天線輻射亦較 不會受到饋入電路端所影響的優點。
第五章 結論
（Conclusion）
本論文「新型四極化微帶天線設計」中成功的使用 pin diodes 在單一天線上，達 成雙線性極化以及雙圓極化設計，藉由 pin diodes 與微帶天線的整合，突破傳統平面 天線在極化上特性的限制，在本論文中一共討論兩種四極化微帶天線，包括第三章的四 極化微帶天線（A Novel Reconfigurable Patch Antenna for Quadri-Polarization Diversity），其利用 pin diodes 來改變相對天線的共振結構來達成雙線性極化及雙圓 極化操作；以及第四章的四極化槽孔耦合天線（A Novel Reconfigurable Aperture Coupled Patch Antenna for Quadri-Polarization Diversity），除了利用槽孔耦合天 線以厚空氣介質來達成較寬頻的特性外，亦利用 pin diodes 來切換天線饋入訊號路徑，
來達成雙線性極化及雙圓極化操作。
第三章提出的四極化微帶天線，將 pin diodes 嵌入矩形截角天線以及寄生金屬片 之間，藉由控制 pin diodes 的直流偏壓來改變天線相對的共振結構，藉此激發不同的 模態，即可以達雙線性極化以及雙圓極化的輻射場形，與近些年利用 pin diodes 來達 成極化掃描的天線相比，此四極化微帶天線僅利用簡單的支幹耦合器饋入，天線結構亦 為簡單的矩形截角天線，即可以達到四種極化狀態的操作，突破以往在單一天線端只有 某些特定極化的限制。
第四章提出的四極化槽孔耦合天線，亦利用 pin diodes 來達到四種極化狀態，與 第三章所不同的是，在第三章中是利用控制 pin diodes 的導通與否來達到不同的天線 共振路徑，藉此激發不同的模態來達成不同的極化狀態。在本章中所利用的是將 pin
第四章提出的四極化槽孔耦合天線，亦利用 pin diodes 來達到四種極化狀態，與 第三章所不同的是，在第三章中是利用控制 pin diodes 的導通與否來達到不同的天線 共振路徑，藉此激發不同的模態來達成不同的極化狀態。在本章中所利用的是將 pin