第一章 緒論
大部分的毫米波和次毫米波超外差式接收機(hetrodyne receiver)在無線太空 習慣使用簡單的雙旁波帶混波器去降頻轉換(downconvert)射頻訊號到中頻訊 號。如此的雙旁波帶操作是去連續的觀察雙旁波帶的訊號。然而，在大部分頻譜 線的觀察中從鏡像旁帶降頻轉換會導致整體的量測敏感度下降。另外，雜訊來自 鏡像旁帶也會大幅提升系統的雜訊溫度。為了減少雙旁波帶外差式接收機的缺 點，使用單旁波帶外插式接收機(single sideband hetrodyne receiver)作為觀察是一 個解決的方法。而單旁波帶外插式接收機的主要元件有混波器，射頻功率分配器 (power divider)，以及射頻垂交混成器[1-2]等等，其中寬頻的垂交混成器對觀察 無線太空是不可或缺的元件的。
除 了 無 線 太 空 觀 測 需 要 用 到 垂 交 混 成 器 ， 放 大 器 的 功 率 加 成 (power combining)技術也常會使用到。往往放大器晶片輸出之功率無法達到要求，需要 利用功率加成技術來提高功率輸出，而功率加成技術又可以分成元件等級與電路 等級二種。元件等級功率加成可以做到體積小功率加成效率高等優點但必須非常 精準的計算元件的所有寄生效應，所以幾乎只能在單晶片上面實現，且由於在特 高頻時電晶體的增益已經大幅下降，太多元件做功率加成只會使增益下降，所以 有其實際的困難存在。而電路等級的功率加成在微波頻段使用的極為普遍，有人 用威金森功率分配器[3]、鼠競環混成器或導波管魔術-T 混成器等同相位或 180o 反相之 3dB 耦合器再配上一段四分之一波長的傳輸線來當作功率加成之元件，
但其中最常見的為使用 3dB 90o耦合器或稱作垂交混成器[4]。
但特高頻工作頻率極高，屬於毫米波頻段中之較高頻段。因此傳統平面式電 路之耗損變得非常大，在很多應用場景之下變得不合適。例如在特高頻之下傳統 微帶線之垂交混成器其耗損約有 1-1.5dB。因此功率加成效率大幅下降，本來兩
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個放大器之理想功率加成因素應為二倍(3dB)，會變成最多只有 1.4~1.58 倍 (1.5-2dB)之加成效果，也就是說最理想的功率加成效率也只有 40%-58%。因此 本論文將使用矩形金屬波導分歧線耦合器以及基板整合波導短槽式垂交混成器 來克服這種特高頻時分支混成器高耗損的問題。
在過去有關分歧波導耦合器之分析與合成理論已經相當完整，也有一些相關 的設計圖表可資利用 [5-7]。但是早期的論文實做的頻率都是在 X-頻段以下。設 計一個有寬頻效應的五階(五個分支)分歧波導耦合器其中有許多 E-平面 T-接 面，必須將 T-接面的等效電路包含進去設計才會正確。而 E-平面 T-接面其等效 電路可視為是一個串聯的電抗，這個電抗值與主線、支線波導的高度有關也與頻 率相關，在早期有許多波導手冊之類的書有其等效電路的曲線圖[8]。E-平面分 歧波導耦合器這種結構雖已很成熟，但直到 2000 年仍有相關論文發表[9]，主要 都是因為計算上精確性的提高。以上幾篇頻率都是設計在 Ku-頻帶以下。至於較 高頻的論文[10]，其頻率大約設計在 40GHz。本論文將頻率上推至 W-頻段，其 中最重要的是如何估計耦合器中許多 E-平面 T-接面造成整體電路的效應，我們 使用數值矩陣快速地分析此耦合器並且考慮 E-平面 T-接面的影響[11]，接著在電 磁模擬軟體上適當的調整幾段支線的物理尺寸以消除 E-平面 T-接面等效電抗對 電路特性的影響。
矩形金屬波導元件在二次世界大戰後廣泛的被應用在微波與毫米波通訊系 統、無線太空以及其他具有低穿透損耗、高功率性能或高 Q-factor 顯著特性的元 件。然而，其需要頗大的物理尺寸、嚴苛精準的製程設備並且不是平面式的結構，
不易整合到現代微波與毫米波積體電路中。以印刷電路板為主的電路，例如微帶 線、帶線、共平面波導及槽線等等。這些傳輸線，由於其低成本、中等的穿透損 耗，以及平面式電路的特性被推出作為一個微波和毫米波電路選擇，但是此種微 帶線為主的印刷電路其性能在毫米波頻段時對於附近的主動裝置或被動元件的 輻射或耦合是相當敏感的。近年來，一種新穎的平面式電路技術由於其低
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成本、面積小並且容易與其他系統整合或使用印刷電路製成之積體電路的特性逐 漸受到大家的注意，其被稱作”基板整合波導(SIW)”或”支柱-牆波導(post-wall waveguide)”。此基板整合波導元件通常使用貫孔陣列取代金屬牆並且上下兩層 金屬表面覆蓋在基板的上下兩面來模仿金屬波導的結構，可以視之為一個低高度 介電波導(reduce-height dielectric waveguide)，因此其具有矩形金屬波導的一切特 性，由於基本整合波導是在介電常數比空氣大的基板中傳播，在相同結構下此種 基板整合波導的電路尺寸會比金屬波導來的小。所以除了具有電路面積可以縮小 還有低穿透損耗，低輻射損耗和不易受外部電路的干擾以及以印刷電路製作簡易 的特性，並且因為此種波導是整合在電路基板中，故可與一般平面電路如微帶線 電路或共面波導電路整合，這是它最大的優勢。相似的技術被使用在感光厚模技 術(photoimageable thick film)，低溫共燒陶磁波導(LTCC waveguide)，及層壓板波 導(laminated waveguide)中[25-28]，而許多主動裝置與被動電路，如天線，濾波 器，雙工器，功率分配器，SIW-微帶線轉換器，振盪器，移相器及耦合器也是 利用此種基板整合波導的技術在近幾年逐漸被提出[29-31]。
本論文第二章將介紹矩形金屬波導 E-平面分支波導垂交混成器和其雛型四 分之波長轉換器的基本理論，並且借由已十分成熟的四分之波長轉換器 [12-14]
對應出分歧耦合器的初步阻納值[15-16]，接著利用數值矩陣分析電路使其快速的 得到此射頻元件的性能[11]，以縮短電磁模擬的嘗試與錯誤時間，最後說明實際 得到金屬波導之物理尺寸的方法 [8]， [17]，如此一個可應用在無線太空觀測單 旁波帶外插式接收機以及放大器的功率加成技術中寬頻 3dB 矩形金屬波導分歧 耦合器便可如此設計出來。
第三章的內容則是基板整合波導 Riblet 短槽式垂交混成器[32]，此為最近幾 年十分熱門的電路，首先探討其基本理論以及設計方法[33]，接著闡述由於將電 路推到特高頻時，由於製成以及量測儀器之限制所因應的量測方式，例如，使用 陶瓷基板製做之扇形轉換器進行探針到 Duroid 基板製做之基板整合波導的量測
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以及使用吸波材料做為終端器(termination)，同時為量測非主要電路部分之損 耗，另行製作一個同等結構之電路以對外接傳輸線造成去埋藏(de-embedding)的 效果，最後將量測得到的參數作一個重組以得到內部主電路的頻率響應圖。
第四章將對以上兩種不同結構，不同實現方式的特高頻 3dB 耦合器作一些 比較與評論，以上二種電路都是以能與平面電路結合做考量，第一種是 E-平面 電路可與 E-平面轉換器結合，第二種基板整合波導本身便是平面電路，唯所使 用之基板將選用與平面電路一致的基板。
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