ADS Momentum設計平面天線實例

    [ 轉自電子設計資源 ] 在高效能的衛星、飛機、太空梭和行動通訊手機應用中，尺寸小、重量輕、低價位、高效能和容易安裝的天線會獲得較高的青睞。平板天線就有外型小、適合平面和非平面的應用，和利用現在印刷電路板的低制作成本技術的好處，而且也容易和microstrip line circuit結合，使得平板天線成為現今一般最常用的天線之一。
    平板天線主要的缺點有低效率、低功率、high Q、低偏極化純度、broadside directivity(無法作end-fired antenna)和頻寬非常窄等。對國家或軍事的用途上，窄頻寬對傳送機密資料是一種好處。對無線衛星行動通訊來說，平板天線有和高頻前端模組易結合的好處，且平板天線的指向性雖然很差，卻很適合應用在無線行動通訊系統。
    本文首先介紹幾種不同feed in的方法。因為高頻的功率放大器難作，功率很珍貴，要有最大的功率可以進入天線中，便要作好阻抗匹配的工作。其次，將介紹二種平板天線的分析方法。一是傳輸線的模型，另一則是cavity的模型，利用安捷倫科技的電腦輔助設計軟體ADS(Advanced Design System)實際設計幾個不同feed in的天線，然後作一總結。
　 
天線饋入方式

Transmission Line Feed
    圖1所示是利用傳輸線來feed能量進入天線中。Feed in 點深入平板天線中對諧振頻率並不會有太大的影響，但卻可以改變輸入的阻抗值。Feed in 點位置不同，輸入阻抗就不同。一般對傳輸線的要求和對電路的要求一樣，均希望基板厚度要薄，介電常數要高才能把大部分的電磁場包在基板裡面。但是對天線來說，卻希望基板厚度要厚，介電常數要低才能使大部分的場幅射出去。因此，兩者之間有矛盾，須作一折衷，才能使得在不連續處有較少的幅射損失。

圖 1

Coaxial Feed
    圖2所示，是利用coaxial cable去feed能量到平板天線上。和TransmissionLine Feed相同，可以在平板天線上找到一個feed in 點是想要的輸入阻抗，在此把能量送到天線上發射出去。coaxial cable和平板天線的排列成正交垂直，所以有很好的隔離度，但是利用coaxial cable來作feed in有一個缺點，就是製作不易，那是因為在基板上打洞，並且要把coaxial cable的中心針銲在天線上並不是一件簡單的事，但因有好的隔離度，所以也廣為大家使用。

圖 2

Coupled Feed
    圖3所示，是利用coupled line 把能量耦合到天線上再幅射出去。這種方式耦合的能量通常較小，因此，若要有足夠的能量幅射出去，便須把天線的一邊當作coupling edge，耦合能量才夠。

圖3

Buried Feed
    圖4所示，是Coupled Feed的一種改良方式，利用多層板的架構來作能量的耦合。Buried Feed是把天線做在上層，傳輸線做在下層，同時使這二個部分達到最佳化。上層用較低的介電常數和較厚的板子來作以提高幅射，下層用較高的介電常數和較薄的板子來作以減少傳輸線幅射的產生，這是單層板所沒有的優點。但是因為結構較複雜，所以並沒有簡單的模型來模擬它。使用多層板有另一個好處即是可以增加頻寬，類似堆疊的結構，由於要對輸入阻抗作匹配，因此若使用transmission line或coaxial cable來作feed in，通常均是以不對稱的方式將能量耦合進去。這種不對稱的方式會產生higher order modes和cross-polarized radiation。為了避免這種情況的發生，我們會使用Buried Feed 或Slot Feed 的耦合方式來作feed in 的工作。

圖4

Slot Feed
    圖5所示，是改良自Buried Feed的架構，在傳輸線和天線中間放上接地面，使二者有很好的隔離，再在接地面上切出一個slot，利用這個slot來耦合能量到天線上。但在接地面上切出一個slot，就像在傳輸線和天線之間又加入一個magnetic dipole，會產生一個虛偽的幅射。稱為虛偽幅射是因為它並不是我們想要得到的，因此，有必要使slot遠離平板天線的幅射邊，以減少虛偽幅射的產生，且應適當的決定slot的尺寸，以避免在平板天線的操作頻帶中，發生諧振而影響到正常的操作。

圖5

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