第四章 透鏡天線整合及量測
4.1 金屬牆之影響
當系統整合時，除了天線會外露以外其他 RF 主被動電路，一般都會用金屬 殼遮蔽覆蓋，因此在饋入天線周圍會有金屬牆環繞，所以需要將金屬牆的影響考 慮進去。在實驗中，發現適當的調整金屬牆的長度、寬度及高度，可以增加傳送 及接收天線之隔離度[7][8][10]。
x y
z
Sp
圖 4.1 天線及周邊金屬牆
分析其增加隔離度之方法，饋入天線為兩個反向像位相差 180°之 Patch 天 線，如圖 4.2 左，為了分析傳送端(TX)與接收端(RX)的耦合效應，將傳送端之陣 列天線分成 Patch_1 及 Patch_3 傳送端之陣列天線分成 Patch_2 及 Patch_4，當 沒有金屬牆時，Patch_1 會耦合能量至 Patch_2 及 Patch_4，因為距離不同耦合 至 Patch_2 的能量會大於 Patch_4，其像位也不同，藉由調整金屬牆，可以讓 Patch_1 會耦合至 Patch_2 及 Patch_4 的能量相同，且從饋入端看到的像位為同 相，經過相差 180°之傳輸線後反相相消，同樣的對 Patch_3 耦合至 Patch_2 及 Patch_4 效果相同，達到增加傳送端與接收端之隔離度。圖 4.2 右為 Patch_1 輻 射耦合至 Patch_2 及 Patch_4 之表面電流。
Sp
TX RX
Patch_1
Patch_3
Patch_2
Patch_4
圖 4.2 傳送與接收天線之耦合效應圖
當固定傳送與接收天線距離(
S
p)時將其固定為 4.4mm，分析當調整金屬牆之 長度(Y)、寬度(X)與高度(Z)時 Patch_1 耦合至 Patch_2 及 Patch_4 之能量大小 與像位的影響。當調整金屬牆高度(Z)時，圖 4.3 及圖 4.4 為金屬牆長度(Y)固定 為 40mm 寬度(X)固定為 23mm 調整金屬牆高度(Z)Patch_1 耦合至 Patch_2 及 Patch_4 能量大小與像位變化。當金屬牆高度(Z)高於 4mm 時時 Patch_1 耦合至 Patch_2 及 Patch_4 之能量大小會趨於一致，而對於 Patch_1 耦合至 Patch_2 及 Patch_4 之相位影響不大。Scatter Parameter (dB)
2 4 6 8
-40 -35 -30 -25 -20 -15 -10
S21
S41
Z(mm)
圖 4.3 金屬牆高度(Z)變化 S 參數模擬結果(dB)
Scatter Parameter (deg) 牆寬度(X)Patch_1 耦合至 Patch_2 及 Patch_4 能量大小與像位變化。可以看出 當寬度 X=20.6mm 時 Patch_2 及 Patch_4 能量大小最接近，而當寬度 X 超過 20.4mm Patch_2 及 Patch_4 之相位差越來越大。
Scatter Parameter (dB)
19.4 19.6 19.8 20.0 20.2 20.4 20.6 20.8 21.0
-40
Scatter Parameter (deg)
19.4 19.6 19.8 20.0 20.2 20.4 20.6 20.8 21.0
-150 -100 -50 0 50 100 150
S21 S41
X(mm)
圖 4.6 金屬牆寬度(X)變化 S 參數模擬結果(deg)
當調整金屬牆長度(Y)時，圖 4.8 及圖 4.9 為金屬牆寬度(X)固定為 20mm 高度(Z)固定為 7mm 調整金屬牆長度(Y)時 Patch_1 耦合至 Patch_2 及 Patch_4 能量大小與像位變化。圖 4.8 及圖 4.9 可看出調整金屬牆長度(Y)時 Patch_1 耦 合至 Patch_2 及 Patch_4 的像位幾乎不變，而當金屬牆長度(Y)縮短 Patch_1 耦 合至 Patch_2 及 Patch_4 的能量大小越相近。但因為饋入天線不是放置在金屬牆 正中間，如圖 4.7 所示 y1≠y2，因此當長度(Y)太小時 y1/y2較高，造成輻射場形 偏移，因此長度(Y)選擇時須考慮到場形偏移的影響。
，
y1
y2
圖 4.7 天線及周邊金屬牆
Scatter Parameter (dB)
Scatter Parameter (deg)
37 38 39 40 41 42 43 最佳化後，使用參數為：長度 Y=40mm、寬度 X=21.24mm 與高度 Z=7mm。圖 4.11 為未加上金屬牆時之量測 S 參數圖，圖 4.12 為加上金屬牆時之量測 S 參數圖，
可看出加上金屬牆後隔離度由增加 10dB(-33d→-43dB)，圖 4.13 為饋入天線加
上金屬牆 H-plane 天線輻射場形，天線增益為 8.9dBi，3dB 波束寬為 70°，圖 4.14 為饋入天線加上金屬牆 E-plane 天線輻射場形 3dB 波束寬為 30°。圖 4.10 為傳 送及接收饋入天線實體照片
圖 4.10 傳送及接收饋入天線實體照片
Scatter Parameter (dB)
Scatter Parameter (dB)
-15 -10 -5 0 5 10 隔離度影響很小。不過因考量到 Type_2 透鏡所需的高度較高(Type_1 所需高度 90mm Type_1 所需高度 110mm)，因此最後還是選用 Type_1 透鏡。