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。

天线馈入方式

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

Buried Feed

  图4所示，是Coupled Feed的一种改良方式，利用多层板的架构来作能量的耦合。 Buried Feed是把天线做在上层，传输线做在下层，同时使这二个部分达到最佳化。上层用较低的介电常数和较厚的板子来作以提高幅射，下层用较高的介电常数和较薄的板子来作以减少传输线幅射的产生，这是单层板所没有的优点。但是因为结构较复杂，所以并没有简单的模型来模拟它。使用多层板有另一个好处即是可以增加频宽，类似堆叠的结构，由于要对输入阻抗作匹配，因此若使用transmission line或coaxial cable来作feed in，通常均是以不对称的方式将能量耦合进去。这种不对称的方式会产生higher order modes和cross-polarized radiation。为了避免这种情况的发生，我们会使用Buried Feed 或Slot Feed 的耦合方式来作feed in 的工作。

图4

Slot Feed

    图5所示，是改良自Buried Feed的架构，在传输线和天线中间放上接地面，使二者有很好的隔离，再在接地面上切出一个slot，利用这个slot来耦合能量到天线上。但在接地面上切出一个slot，就像在传输线和天线之间又加入一个magnetic dipole，会产生一个虚伪的幅射。称为虚伪幅射是因为它并不是我们想要得到的，因此，有必要使slot远离平板天线的幅射边，以减少虚伪幅射的产生，且应适当的决定slot的尺寸，以避免在平板天线的操作频带中，发生谐振而影响到正常的操作。

图5

分析方法

Transmission-Line Model

    传统的microstrip line如图6所示，上下二个金属面所看到的介质的介电常数不同，所以有不同的波速。若等效成一个均匀的介质来看，须引入一个有效的介电常数εeff。 εeff和基板的介电常数、microstrip line的长度、宽度有关，其关系如式(1)。

    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