背接金屬共平面波導之S參數

4.3.1 背接金屬共振結構與貫穿孔設計  

圖 4.4 為背接金屬共平面波導(CBCPW)示意圖，我們將根據第三章的 模擬Case 一樣分成三個實作實驗，依序地將貫穿孔數量增加，並使用網路 分析儀量測各實驗之 S 參數，最後將實驗基板放置到全電波無響暗室(fully anechoic chamber) 來量測電磁波。圖 4.5 與表 4.2 為此次我們設計板子來 驗證的詳細尺寸及頻率關係，我們實際上製作了一個介電質為FR4 的電 路，並以人工的鑽孔及焊接技術將分為三個不同貫穿孔距離的case 來探討 貫穿孔距離與基板本身共振頻率EMI 的關係。

圖 4.3 AppCAD 特性阻抗模擬圖-調整線長

接地點之間距離 相對 2GHz 波長比 相對 5GHz 波長比

實驗一 50mm 1/3 5/6

實驗二 21mm 約 2/15 約 1/3

實驗三 7mm 約 1/25 約 1/10

圖 4.5 各實驗之貫穿孔接地距離

表 4.2 接地距離與頻率波長關係表 圖 4.4 背接金屬共平面波導示意圖

21mm

21mm

7 mm  7 mm 

約 50mm 

4.3.2 實驗一－完整無貫穿孔之CBCPW

圖 4.6、圖 4.7 分別為電路的正面與反面。兩端使用SMA 接頭當輸入、

輸出端。

我們以安捷倫Agilent N5230A 網路分析儀連結 SMA Port 1 及 Port 2 來 得到各個實驗之S 參數，分析從 1GHz 至 6GHz 的 S11 與 S21 結果。在 S11 參數量測上，我們將Port 1 連接至網路分析儀而 Port 2 接上為 50 歐姆的終 端器，以防止信號反射，如圖 4.8。

圖 4.6 實驗一 PCB 正面 圖 4.7 實驗一 PCB 背面

圖 4.8 終端器設置圖

圖 4.9 為實驗一之 S11 與 S21 結果，我們可以由 S21 曲線清楚發現在 頻率 1.4GHz、2.71GHz、3.46GHz、4.26GHz 與 5.21GHz 有比較明顯的 能量損耗，詳細如表 4.3，而這些能量損耗並非為板材介質上正常損耗，我 們可以視為基材共振頻率時所損耗之能量，而這些能量以表面波方式向外 耦合至共平面的地(co-plane) 及在基板內部形成電場震盪，並從兩側末端之 開路共振腔將能量輻射能量出去。

頻率(Freq) Insertion Loss

1.4GHz 1.74 dB

2.71GHz 2.77 dB

3.48GHz 8.01 dB

4.26GHz 9.4 dB

5.21GHz 9.1 dB

圖 4.9 實驗一 S11 及 S21 曲線圖

表 4.3 實驗一之插入損耗表

從表 4.3 我們可以發現當共振頻率愈高時，插入損耗亦愈高，在 5.2GHz 時，插入損耗高達 9dB，當我們輸入訊號若是剛好在 5.2GHz 時，訊號將會 有 9dB 因共振而損失的能量，這不僅僅會造成 EMI 問題也對訊號品質及眼 圖(eye diagram)有極大的影響。

4.3.3 實驗二－六貫穿孔之CBCPW

圖 4.10、圖 4.11 為實驗二PCB 板正反面圖，分別在訊號線兩旁 前中後的Ground-plane 上加上貫穿孔。我們和 4.1.1 節一樣運用 N5230A 網路分析儀圖所量測之 S21 與 S11。

圖 4.12 為實驗二之 S 參數 S11 與 S21，我們可發現共振頻率為

1.425GHz、3.855GHz、4.49GHz 與 5.425GHz，插入損耗分別為-0.49dB、

-2.68dB、-2.37dB 與-5.12dB，詳細列於表 4.4。由於基材在前中後各增 加一個貫穿孔，整個基材共振頻率往高頻移動，且插入損耗相對實驗一小 很多，貫穿孔的加入有效改善共振頻率的 S21 插入損耗，這個結果與我們 模擬的結果是相同。

圖 4.10 實驗二 PCB 正面 圖 4.11 實驗二 PCB 反面

頻率(Freq) Insertion Loss

1.425GHz 0.49 dB

3.855GHz 2.68 dB

4.49GHz 2.37 dB

5.43GHz 5.12 dB

表 4.4 實驗二之插入損耗表 圖 4.12 實驗二 S11 及 S21 曲線圖

4.3.4 實驗三－十四貫穿孔之CBCPW

圖 4.13、圖 4.14 為實驗三PCB 板正反面圖，我們將實驗二各邊貫穿 孔之間在各插入兩個貫穿孔，每個貫穿孔的間距為 7mm。圖 4.15 為實驗三 所量測之 S21 與 S11，我們可發現共振頻率為 2.06GHz、2.31GHz 與

4.98GHz，插入損耗分別為-1.33dB、-2.18dB 與-2.05dB，詳細列於表 4.5。

由於基材在前中後各增加一個貫穿孔，整個基材共振頻率往高頻移動，且 插入損耗相對實驗一小很多，貫穿孔的加入有效改善共振頻率的 S21 插入 損耗，這個結果與我們模擬的結果是相同。

圖 4.13 實驗三 PCB 正面 圖 4.14 實驗三 PCB 反面

頻率(Freq) Insertion Loss

2.06GHz 1.33 dB

2.31GHz 2.18 dB

4.98GHz 2.05 dB

圖 4.15 實驗三 S11 及 S21 曲線圖

表 4.5 實驗三之插入損耗表

4.4 共振頻率上電磁波量測