利用ADS Momentum设计微带天线(Patch Antenna)

    在高效能的卫星、飞机、太空梭和行动通讯手机应用中，尺寸小、重量轻、低价位、高效能和容易安装的天线会获得较高的青睐。平板天线就有外型小、适合平面和非平面的应用，和利用现在印刷电路板的低制作成本技术的好处，而且也容易和microstrip line circuit结合，使得平板天线成为现今一般最常用的天线之一。

 

  平板天线主要的缺点有低效率、低功率、high Q、低偏极化纯度、broadside directivity(无法作end-fired antenna)和频宽非常窄等。对国家或军事的用途上，窄频宽对传送机密资料是一种好处。对无线卫星行动通讯来说，平板天线有和高频前端模组易结合的好处，且平板天线的指向性虽然很差，却很适合应用在无线行动通讯系统。

 

  本文首先介绍几种不同feed in的方法。因为高频的功率放大器难作，功率很珍贵，要有最大的功率可以进入天线中，便要作好阻抗匹配的工作。其次，将介绍二种平板天线的分析方法。一是传输线的模型，另一则是cavity的模型，利用安捷伦科技的电脑辅助设计软体ADS(Advanced Design System)实际设计几个不同feed in的天线，然后作一总结。

　

 

Transmission Line Feed

    图1所示是利用传输线来feed能量进入天线中。 Feed in 点深入平板天线中对谐振频率并不会有太大的影响，但却可以改变输入的阻抗值。 Feed in 点位置不同，输入阻抗就不同。一般对传输线的要求和对电路的要求一样，均希望基板厚度要薄，介电常数要高才能把大部分的电磁场包在基板里面。但是对天线来说，却希望基板厚度要厚，介电常数要低才能使大部分的场幅射出去。因此，两者之间有矛盾，须作一折衷，才能使得在不连续处有较少的幅射损失。

 

图 1

 

Coaxial Feed

    图2所示，是利用coaxial cable去feed能量到平板天线上。和TransmissionLine Feed相同，可以在平板天线上找到一个feed in 点是想要的输入阻抗，在此把能量送到天线上发射出去。 coaxial cable和平板天线的排列成正交垂直，所以有很好的隔离度，但是利用coaxial cable来作feed in有一个缺点，就是制作不易，那是因为在基板上打洞，并且要把coaxial cable的中心针焊在天线上并不是一件简单的事，但因有好的隔离度，所以也广为大家使用。

 

图 2

 

Coupled Feed

    图3所示，是利用coupled line 把能量耦合到天线上再幅射出去。这种方式耦合的能量通常较小，因此，若要有足够的能量幅射出去，便须把天线的一边当作coupling edge，耦合能量才够。

 

图3

    当宽度远大于基板的厚度时，电磁场大部分被包在基板内，所以εeff =εr 。当宽度远小于基板的厚度时，电磁场不只会在基板上，也会飞到空中，所以εeff = εr +1/2 。 εeff 也是频率的函数，其关系如图7所示。当操作频率上升，大部分的电磁场会被包在基板当中，因此有效的介电常数εeff 会接近基板本身的介电常数εr。又由于fringing effect的效应使有效的长度大于实际的长度，因此，在设计天线时应把由于fringing effect所造成的影响△L加入设计的考量当中，如式(2)及式(3)所示。

图7

    △L为宽高比(W/h)和εeff 的函数，如图8所示。假设这个rec??tangular patch antenna操作在基本的TM010 mode，则其谐振频率如式(4)。

 

图8

 

c为光速，式(4)并没有考虑fringing effect，若考??虑fringing effect则须做一些修正，如式(5)。当基板的厚度增加时，fringing也会增加导致Leff会越大，即二个幅射边相距越远，根据式(5)可知，谐振频率也会下降。

Cavity Model

    当能量feed in进入平板天线时，在平板天线的上下二个表面会有电荷的分布，接地面也会有电荷的分布，如图9所示。有二种机制，一种是吸引，另一种则是排斥。吸引机制是来自平板天线的下表面和接地面有不同的电荷极性所致，这个机制使电荷能集中在平板天线的下表面，而排斥机制来自于平板天线的下表面，此机制使下表面的电荷往上表面流，产生相对的电流密度JbandJt。由于在大部分的实际应用中，h/W的比例通常都很小，所以主要为吸引机制，而且，大部分的电荷分布和电流密度分布在平板天线的下表面，Jt会随着h/W的比例越小而越小，最后近似于0。因为Jt是0，所以在平板天线的四边并没有切线方向的磁场分布，因此可以把这四边看成是perfectmagnetic conducting surfaces。实际上。 h/W并非无限的小，所以这四边并非为perfect magnetic conducting surface，但可以此作一很好的近似，且因为基板的厚度很小，所以fringing field也较小，因此可以把电场分布想成均垂直导体表面而只考虑TM x field的传输模式。最后这个cavity就可以把它看成是上下二个perfect electric conducting surfaces，前后左右为perfect magnetic conductingsurfaces。