分集式架構的天線模擬和量測結果與討論

因為 4.1.1 節所設計的變容二極體控制切換波束天線，雖然是用平面印刷電路 板技術實現，但仍需要以空氣架高成三層。若要真正達成完全平面化印刷天線設 計，圖 4-11 分集式架構的設計是不錯的選擇。由模擬可發現當兩天線互相垂直 時，即使距離很近彼此互相耦和(mutual coupling)的效應依舊相當的小，故 S 參 數與場型與單獨一個的三元件變容二極體控制切換波束天線幾乎相同。

(a) 結構圖

(b) 實體圖

圖 4-11、分集式架構的變容二極體控制切換波束天線 天線各項參數：

寄生天線長=22.1mm 寄生天線寬=1.2mm 饋入天線長=21.8mm

d

₁

=9.3mm d

₂

=11.4mm

r 4.7

ε

= Loss tan=0.02 板厚=0.4mm

圖 4-12 為分集式架構模擬與實作 S 參數比較，由圖 4-12(b)發現實作時除了 當 C

1

=5pf，C

2

=0.5pf 之 S 參數外皆與模擬相當符合，這應該是因為當 C

1

=5pf，

C

2

=0.5pf 時天線場型最大值出現在 XY 切面θ

= 90

度，因此實作時會受到另一天 線同軸電纜的影響造成阻抗匹配變差。

Frequency(GHz)

4.6 4.7 4.8 4.9 5.0 5.1 5.2 5.3 5.4

Retur n Lo ss(dB)

-40 -30 -20 -10 0

C1=5pf，C2=0.5pf C1=0.5pf，C2=5pf Ca=0.5pf，Cb=5pf Ca=5pf，Cb=0.5pf

(a) S 參數模擬

Frequency(GHz)

4.0 4.2 4.4 4.6 4.8 5.0 5.2 5.4 5.6 5.8 6.0

Ret u rn Lo ss( dB)

-20 -15 -10 -5 0

C1=5pf，C2=0.5pf C1=0.5pf，C2=5pf Ca=0.5pf，Cb=5pf Ca=5pf，Cb=0.5pf

(b) S 參數實作量測比較

圖 4-12、分集式架構的模擬與實作 S 參數比較

圖 4-13 為分集式架構天線的輻射場型模擬與量測比較，除了 C

1

=5pf，

(a)C1=0.5pf，C2=5pf (b)C1=5pf，C2=0.5pf

-19 -16 -13 -10 -7 -4 -1 2 5 8

(c)Ca=0.5pf，Cb=5pf (d)Ca=5pf，Cb=0.5pf 圖 4-13、分集式架構天線的輻射場型(XY 切面)(模擬 5GHz，實作 5.12GHz)(dBi)

4.4.3.變容二極體與高頻電容量測比較

前面章節設計的變容二極體控制切換波束天線，在實作時我們是以高頻電容 來取代變容二極體，以簡化量測複雜度，本節以三元件變容二極體控制切換波束 天線來實際討論此取代的影響。圖 4-14(a)為變容二極體實作照片，因為二極體 需外加直流偏壓，為了降低偏壓電路對天線的影響我們將偏壓線路架高，而圖 4-14(b)為以高頻電路等效的實作照片。由於我們實際拿到的變容二極體可變範圍 約為 0.6pf (逆偏 25V)至 3pf (逆偏 2V)故高頻電容也選用 0.6pf 與 3pf 來達成實際 比較效果。

由圖 4-15 可知變容二極體與高頻電容對實作 S 參數影響不大。而由圖 4-16 發現用變容二極體實作確實能獲得與高頻電容相同的波束切換情形，不過由於變 容二極體需外加直流偏壓，其偏壓電路雖已架高，仍舊使場型產生不想要的變 形，可藉由將偏壓電路提高或重新設計一對場型影響較小的偏壓架構來獲得改 善。

(a)變容二極體實作照片 (b)高頻電容實作照片 圖 4-14、用變容二極體與高頻電容實作切換波束天線的照片

Frequency(GHz)

4.7 4.8 4.9 5.0 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5

Retur n Loss(dB)

-20

4.4.4. 七元件變容二極體控制切換波束天線模擬結果與討論

圖 4-17 為七元件變容二極體控制切換波束天線結構圖與各項參數。圖 4-18 為天線在各寄生元件電容值改變時 S 參數模擬的結果。圖 4-19 為天線在各寄生 元件電容值改變時天線輻射場型參數模擬的結果。

(a) 天線側視圖 (b)天線正視圖 圖 4-17、七元件變容二極體控制切換波束天線結構圖與各項參數 天線各項參數：

寄生天線長=22.8mm 寄生天線寬=1.2mm 饋入天線長=21.8mm h1=9.3，h2=8.9mm d1=5mm，d2=10.25mm

r 4.7

ε

= Loss tan=0.02 板厚=0.4mm

Frequency(GHz)

4.85 4.90 4.95 5.00 5.05 5.10 5.15

Return Loss (dB)

-22.5 -20.0 -17.5 -15.0 -12.5 -10.0 -7.5 -5.0 -2.5

C1,C2=0.5pf，C3,C4,C5,C6=5pf C2,C3=0.5pf，C1,C4,C5,C6=5pf C3,C4=0.5pf，C1,C2,C5,C6=5pf C4,C5=0.5pf，C1,C2,C3,C6=5pf C5,C6=0.5pf，C1,C2,C3,C4=5pf C6,C1=0.5pf，C2,C3,C4,C5=5pf C1,C2,C3=0.5pf，C4,C5,C6=5pf C2,C3,C4=0.5pf，C1,C5,C6=5pf C3,C4,C5=0.5pf，C1,C2,C6=5pf C4,C5,C6=0.5pf，C1,C2,C3=5pf C5,C6,C1=0.5pf，C2,C3,C4=5pf C6,C1,C2=0.5pf，C3,C4,C5=5pf

圖 4-18、各寄生元件電容值改變時 S 參數模擬結果

-14 -11 -8 -5 -2 1 4 7

-14 -11 -8 -5 -2 1 4 7

第五章 結論 (Conclusion)

本論文第三章所提出的圓極化讀碼天線，是依據 915MHz 射頻辨識系統所需 的頻寬(902~928MHz)要求來設計，為了使圓極化與阻抗頻寬皆能符合頻段要 求，採用空氣架高的方式造成天線尺寸較大。以縫隙耦合單饋入方式來設計圓極 化微帶天線可有效縮小天線尺寸並滿足各項要求，進一步縮小天線尺寸則需藉由 天線材料與改變設計架構來突破。

第四章提出的變容二極體控制切換波束式印刷天線陣列，由模擬與實驗結果 可證明確能達到有效的波束切換情形，並且大幅縮小天線面積與製作成本。不過 天線的饋入架構與變容二極體的偏壓電路會對天線場型與頻寬造成影響，因此進 一步改良天線饋入架構和設計不會對天線造成影響的二極體偏壓電路是一重要 課題。另外，如何充分利用變容二極體容值可變範圍，使切換波束可切換狀態增 加以及如何使辨識程度提升，也是今後需努力的方向。

參考文獻

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在文檔中 射頻辨識系統圓極化讀碼天線與變容二極體控制切換波束印刷天線陣列設計 (頁 42-0)