槽孔 槽孔 槽孔 槽孔陣列 陣列 陣列 陣列天線 天線 天線 天線之設計原理與量測結果 之設計原理與量測結果 之設計原理與量測結果 之設計原理與量測結果

第四章 第四章

第四章 槽孔 槽孔 槽孔 槽孔陣列 陣列 陣列 陣列天線 天線 天線 天線之設計原理與量測結果 之設計原理與量測結果 之設計原理與量測結果 之設計原理與量測結果

在陣列天線中，天線的尺寸和饋入方式會影響整個陣列天線的尺寸和複雜 度。本研究中所使用的是微帶線槽狀天線。雖然槽狀天線的增益並不是最高的，

但是有著簡易設計，較緊緻的尺寸和饋入方式簡單等優點。適合在有限的單位電 路面積中，有著較多的天線個數，以用來增加天線增益。

2.1 1X4 槽孔 槽孔 槽孔陣列 槽孔 陣列 陣列 陣列天線 天線 天線設計與量測 天線 設計與量測 設計與量測 設計與量測

4.1.1 1X4

槽孔槽孔槽孔槽孔陣列陣列陣列陣列天線天線天線天線設計設計設計 設計

槽孔陣列天線如圖 4-1 所示，我們利用利用厚度 0.8mm 且介電係數 4.4 的 FR4 板材來製作 50

Ω

微帶線。在微帶線傳輸線的接地金屬面上挖了四條尺寸為 2mm X 34.3mm 槽孔，且傾斜 45 度，槽孔尺寸為 34.3mm X 2mm。槽孔間的相 隔距離為 46mm，其中槽孔長度和槽孔間距離各為

0 . 4 λ

_g和

λ

_g。

λ

_g為 3.5GHz 時 波在介質中傳播的波長。整個陣列天線尺寸為 230mm X 75mm。槽孔天線陣列尺 寸參數如表 4-1。微帶線終端接上一 50

Ω

的負載。天線陣列饋入端微帶線阻抗 為 50

Ω

。

圖 4-1 1X4 槽孔陣列天線結構圖

表 4-1 1X4 槽孔天線陣列尺寸參數

符號 尺寸（mm） 描述

wf 1.5 微帶線線寬（50Ω）

wsub 75 陣列天線寬度

lsub 230 陣列天線寬度

wslot 2 槽孔寬度

lslot 34.3 槽孔長度

ldis 47 槽孔間距離

h 0.8 FR4 基板厚度

os1 11 槽孔位移量

如圖 4-1 所示，os1 為槽孔中心點至微帶線中線的距離，此設計槽狀天線的 os1 值為 11mm。藉由在微帶線上方挖出四個槽孔，當能量從饋入端輸入，在微帶線 上傳播的部分能量，將會從所挖的槽孔中輻射出去，進而成為槽孔天線。為了使 天線陣列輻射之場形，最大增益在槽孔的正上方，也就是每個槽孔天線單元間的 能量相位差為

2 n π

,

n

為零或整數，所以每個槽孔的相隔距離為

λ

_g。利用串連饋 送網路將四個槽孔天線合併成一個槽孔陣列天線，能使得整個陣列尺寸更為緊 緻。

λ

_g為波在介質中傳播的波長。

4.1.2 1X4

槽孔槽孔槽孔槽孔陣列陣列陣列陣列天線天線天線天線實作與量測實作與量測實作與量測 實作與量測

1X4 槽孔陣列天線實體圖如圖 4-2 和圖 4-3。在圖 4-2 中，埠（port）1 陣列 天線饋入端，埠 2 則為陣列天線終端。其模擬與量測之 S 參數如圖 4-4。

2.5 3 3.5 4 4.5 -25

-20 -15 -10 -5 0

S11measurement S₂₁measurement S₁₁simulation S21simulation

Frequency (GHz)

S p ar am et er s (d B )

圖 4-4 1X4 陣列天線量測和模擬 S 參數圖

2.5 3 3.5 4 4.5

0.4 0.6 0.8 1

measurement simulation

Frequency (GHz) 1 - | S

11

|

2

- | S

21

|

2

圖 4-5 1X4 陣列天線輻射能量圖

在圖 4-4 中，頻率為 3.5GHz 時 S11和 S21分別為-9.6dB 和-10.4dB。表示從天 線陣列輸入端輸入的能量，在終端並沒有全部接收到，有部分能量耦合到槽孔陣 列天線，進而被槽孔天線所輻射出去。為了更清楚了解被輻射出去的能量的多 少，我們計算，

1 − S

₁₁²

− S

₂₁²的值來估算該天線之輻射效率；由於 FR4 在 3.5GHz 操作時之損耗不大，因此為上式中之損耗主要由輻射損耗所貢獻。圖 4-5 為 1X4 陣列天線輻射能量圖。在圖 4-5 中 1X4 陣列天線輻射能量在 3.5GHz 時為 0.8，

2.8GHz 至 3.75GHz 的輻射能量都在 0.7 以上。

2.5 3 3.5 4 4.5

-25 -20 -15 -10 -5 0

Frequency (GHz) S

11

( d B )

圖 4-6 1X4 陣列天線 S11分布圖

4.1.3 1X4

槽孔槽孔槽孔槽孔陣列陣列陣列陣列天線天線天線天線輻射場型量測輻射場型量測輻射場型量測 輻射場型量測

如圖 4-2 在埠 2 接上一 50

Ω

的負載，埠 1 為天線饋入端。放置於天線遠場 量測室量測其輻射場形，其量測 S 參數圖如圖 4-6。輻射場型量測頻率為 3.3GHz、

3.4GHz、3.5GHz、3.6GHz 和 3.7GHz。並且量測 XZ 平面和 YZ 平面的 Ex 和 Ey

0

0

0

圖 4-12 4X4 槽孔天線陣列結構圖

ldis0 為槽狀天線間橫向的距離 45mm，大於 3.5GHz 時波在空氣中傳播的一 半波長（42.9mm）。選擇該尺寸以避免因天線光柵波瓣（Grating Lobe）產生，

進而影響天線原本設計的效能。4X4 槽孔陣列天線系統其饋送網路是利用 3.5 節 所介紹的一分四改良 T 接面功率分配器。其系統之整體結構如圖 4-13

圖 4-13 4X4 槽孔陣列天線系統結構圖

加一反射板（FR4，200mm X 300mm X 1.6mm）。利用 FR4 上之金屬面來使輻射 能量反射，FR4 板之厚度 1.6mm 可以用來維持反射版表面的平整度，避免因反 射板表面彎曲使輻射能量反射不集中。

在文檔中 WiMAX 基地台 4-by-4 槽孔天線設計 (頁 42-50)