寬頻天線設計與效能驗證
在天線的設計上，為了達到寬頻的效果，我們使用一片截角矩形金屬作為輻 射體[5]，並採用微帶線的架構饋入。在天線效能驗證上，我們量測 S11 反射係 數頻譜，最後在利用無反射實驗室量測天線輻射場型。
天線使用FR4_epoxy 板材，板厚 1.6 mm，介電係數
r = 4.4，損失正切 tan
= 0.022，其架構如圖三所示，天線上半部截角矩形輻射體是由 50 微帶線（L2）
饋入，背面金屬地面大小 W3 × L2。經電磁模擬軟體(HFSS10.0)優化後的設計 參數是W1 = 22.5 mm、W2 = 3.4 mm、W3 = 30 mm、L1 = 18.75 mm、L2 = 11.5 mm、L3 = 35 mm、L4 = 3.29 mm，圖四是模擬出的反射損失。模擬結果中反射 損失小於-10 dB 的頻段範圍從 2.8 延伸到 6.3 GHz，比我們需求的頻段從 2 到 6 GHz 偏為高，所以使用 60 mm × 60 mm FR4 的基版製作天線，以預留調整操作 頻段的空間。
圖三： 超寬頻單極天線架構 圖四： 模擬反射損失 S11
實作成品如圖五(a)，由於量測的反射係數頻帶的確偏向高頻，因此使用銅 箔貼紙，將截角矩形輻射體部分分別貼大為原來兩倍，與三分之四倍，如圖三 (b)。圖六是三者的反射損失結果，發現三分之四大小的反射損失從 2 到 6 GHz 都有在-7.14 dB 以下，所以用它來作為發射及接收天線。
天線輻射場型如圖七所示，E-plane 上的 co-pol 最大增益值出現在 Phi = 0°
與 150°，表示有往前的能量分布以及往後上方的能量分布，並且以垂直極化為 主，最大值有3.3 dB。而 H-plane 上的 co-pol 顯得比較平均，而 cross-pol 在 4.5 到 6 GHz 的可實現增益值變大，可見有水平極化分量存在，但增益值不大，在 1.3 dB 以下。故此天線以垂直極化為主，可把它看成是一支垂直擺放的超寬頻單 極天線。
(a) 原型天線 (b) 調整後原型天線 圖五： 超寬頻單極天線實作
圖六： 原型天線反射損失頻譜
(a) E-plane, Co-pol (b) H-plane, Co-pol
(c) E-plane, Cross-pol (d) H-plane, Cross-pol 圖七： 天線輻射場型
傳播實驗模型的建置與模擬方法
在傳播實驗模擬模型的建置上，我們將網路分析儀連接到先前製作的兩支寬 頻單極天線上，視為訊號進出的Port 1 與 Port 2。我們建置有多個不同的傳播環 境，圖八(a)所示環境定義為「No Ground」。而圖八(b)中是加上長寬高分別為 91 cm × 46 cm × 88 cm 的台車。台車上面的金屬平面可當成是地面，因此這個情 況設定為「Add Ground」。收發天線分別位於台車邊緣的中間正上方處，距離台 車10 cm 的高度。
(a) No Ground (b) Add Ground 圖八： 傳播實驗模型建置
最後我們把貼滿鋁箔紙的金屬箱放在台車上面，作為中間障礙物，箱子中心 位置對準地面的中心，金屬箱大小為19 cm × 26 cm × 29 cm，如圖九。由於金 屬箱有六種擺設的擺設情況，因此我們先以高度(H)分，再以寬度(W)分，共分作 六種Case，並定義長度為 L。
圖九： 傳播實驗模型中的金屬障礙物
實驗步驟分兩階段處理，第一階段是作量測，我們用網路分析儀掃瞄2 到 6 模擬。這裏使用的軟體是 Numerical Electromagnetic Code - Basic Scattering Code(NEC-BSC)。該軟體是採用射線光學追蹤法，追蹤電磁波的傳播路徑，再依 據幾何繞射理論(Uniform Geometrical Theory of Diffraction, UTD)，計算反射與繞 射等機制的散設量，從觀察點追蹤回發射源，分別計算出各種機制的貢獻，最後
本研究所使用的高頻電磁模擬軟體是 Numerical Electromagnetic Code – Basic Scattering Code (NEC-BSC)，利用該計算核心評估複雜目標物的散射電場量 與分布。由於本研究須評估不同目標物位置與姿態時的雷達回波分布，必須反覆 更動模擬模型，因此模型架構的建置、呼叫NEC-BSC 計算核心、讀取模擬計算 結果與繪圖分析部份是使用MATLAB 來完成。NEC-BSC 是一種高頻模擬方法，
利用射線追蹤的方式，個別算出反射、折射、繞射以及多重反射、折射、繞射等
我們以十二片金屬材質平面來組成車量目標物，如圖十二所示車體模型架 構，地面則由一片大的金屬材質來組成，分別建構於NEC-BSC 模型中。我們可 以在MATLAB 控制程式中改變車體位置，如前後、左右平移、以及對車體中心 (青綠色的箭頭代表車體的中心)作旋轉，記錄在不同位置下的電場狀況，進而做 比較。
圖十： 發射端與觀察點
-0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 -80
-60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 120 140
|Intensity of field|, dB
Y axis (cm)
|E'(theta,reflection) |
|E'(theta,diffraction)|
|E'(theta,incident field) |
圖十一： 發射天線對觀察點的耦合影響
我們所用的校正方法是，預先模擬在沒有車的環境下，也就是在只有天線 的反射面以及天線在觀察點所測得的電場值，該值在爾後的模擬值會予以扣除，
以校正背景偶合量，以得到單純來自於目標物散射的電場。
圖十二： 車體模型的架構以及幾何
在做為發射源的陣列天線建構上，是以四個偶極天線組成，相鄰的偶極天 線中心點相距離二分之一個波長。我們設定操作頻率為5.8 GHz。觀察點設置了 101 個，分別在天線的中心，Y = 0 處的左右排成一列，並從 Y = 0 開始，左右每 隔1 公分增加一觀察點，即左右各 50 個觀察點，如圖十所示。這樣的小間隔觀 察點設置讓我們可以較明確的觀察到車尾邊緣繞射所產生的電場在觀察點所造 成的建設性及破壞性。在這篇論文中，我們以 E 代表包含一次及一次以上的電 場總和，即考慮所有的電場，E’代表對電場一次的追蹤，如一次反射、繞射，E’’
代表對電場的兩次以及兩次追蹤。因為天線所產生出的極化為 Z 方向的線性極 化，因此電場的三個分量中，影響最大的是θ方向的電場，所以我們所設的觀測 點以觀察θ方向的電場為主。而在一般狀況下車體正對著天線時，車身本體上四 個直立邊緣所造成的繞射現象，相較於車尾平面的直接反射是非常小的。不過在 實際應用狀況下車體是任意擺置的，所以一但車體不是正對著天線，就得靠觀察 繞射電場所產生的場強的來判斷車子現在呈何種方位擺置。也因此在本模擬工作 中我們將觀測點拉長為密集分布的一直線，藉以互相比對各個觀察點結果，進而 推論車體的方位。