在高效能的衛(wèi)星、飛機(jī)、太空梭和行動(dòng)通訊手機(jī)應(yīng)用中，尺寸小、重量輕、低價(jià)位、高效能和容易安裝的天線(xiàn)會(huì)獲得較高的青睞。平板天線(xiàn)就有外型小、適合平面和非平面的應(yīng)用，和利用現(xiàn)在印刷電路板的低制作成本技術(shù)的好處，而且也容易和microstrip line circuit結(jié)合，使得平板天線(xiàn)成為現(xiàn)今一般最常用的天線(xiàn)之一。

 

  平板天線(xiàn)主要的缺點(diǎn)有低效率、低功率、high Q、低偏極化純度、broadside directivity(無(wú)法作end-fired antenna)和頻寬非常窄等。對(duì)國(guó)家或軍事的用途上，窄頻寬對(duì)傳送機(jī)密資料是一種好處。對(duì)無(wú)線(xiàn)衛(wèi)星行動(dòng)通訊來(lái)說(shuō)，平板天線(xiàn)有和高頻前端模組易結(jié)合的好處，且平板天線(xiàn)的指向性雖然很差，卻很適合應(yīng)用在無(wú)線(xiàn)行動(dòng)通訊系統(tǒng)。

 

  本文首先介紹幾種不同feed in的方法。因?yàn)楦哳l的功率放大器難作，功率很珍貴，要有最大的功率可以進(jìn)入天線(xiàn)中，便要作好阻抗匹配的工作。其次，將介紹二種平板天線(xiàn)的分析方法。一是傳輸線(xiàn)的模型，另一則是cavity的模型，利用安捷倫科技的電腦輔助設(shè)計(jì)軟體ADS(Advanced Design System)實(shí)際設(shè)計(jì)幾個(gè)不同feed in的天線(xiàn)，然后作一總結(jié)。

　

 

Transmission Line Feed

    圖1所示是利用傳輸線(xiàn)來(lái)feed能量進(jìn)入天線(xiàn)中。 Feed in 點(diǎn)深入平板天線(xiàn)中對(duì)諧振頻率并不會(huì)有太大的影響，但卻可以改變輸入的阻抗值。 Feed in 點(diǎn)位置不同，輸入阻抗就不同。一般對(duì)傳輸線(xiàn)的要求和對(duì)電路的要求一樣，均希望基板厚度要薄，介電常數(shù)要高才能把大部分的電磁場(chǎng)包在基板里面。但是對(duì)天線(xiàn)來(lái)說(shuō)，卻希望基板厚度要厚，介電常數(shù)要低才能使大部分的場(chǎng)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(xù)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(xiàn)上。和TransmissionLine Feed相同，可以在平板天線(xiàn)上找到一個(gè)feed in 點(diǎn)是想要的輸入阻抗，在此把能量送到天線(xiàn)上發(fā)射出去。 coaxial cable和平板天線(xiàn)的排列成正交垂直，所以有很好的隔離度，但是利用coaxial cable來(lái)作feed in有一個(gè)缺點(diǎn)，就是制作不易，那是因?yàn)樵诨迳洗蚨矗⑶乙裞oaxial cable的中心針焊在天線(xiàn)上并不是一件簡(jiǎn)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(xiàn)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(xiàn)的一邊當(dāng)作coupling edge，耦合能量才夠。

 

圖3

    當(dāng)寬度遠(yuǎn)大于基板的厚度時(shí)，電磁場(chǎng)大部分被包在基板內(nèi)，所以εeff =εr 。當(dāng)寬度遠(yuǎn)小于基板的厚度時(shí)，電磁場(chǎng)不只會(huì)在基板上，也會(huì)飛到空中，所以εeff = εr +1/2 。 εeff 也是頻率的函數(shù)，其關(guān)系如圖7所示。當(dāng)操作頻率上升，大部分的電磁場(chǎng)會(huì)被包在基板當(dāng)中，因此有效的介電常數(shù)εeff 會(huì)接近基板本身的介電常數(shù)εr。又由于fringing effect的效應(yīng)使有效的長(zhǎng)度大于實(shí)際的長(zhǎng)度，因此，在設(shè)計(jì)天線(xiàn)時(shí)應(yīng)把由于fringing effect所造成的影響△L加入設(shè)計(jì)的考量當(dāng)中，如式(2)及式(3)所示。

圖7

    △L為寬高比(W/h)和εeff 的函數(shù)，如圖8所示。假設(shè)這個(gè)rec??tangular patch antenna操作在基本的TM010 mode，則其諧振頻率如式(4)。

 

圖8

 

c為光速，式(4)并沒(méi)有考慮fringing effect，若考??慮fringing effect則須做一些修正，如式(5)。當(dāng)基板的厚度增加時(shí)，fringing也會(huì)增加導(dǎo)致Leff會(huì)越大，即二個(gè)幅射邊相距越遠(yuǎn)，根據(jù)式(5)可知，諧振頻率也會(huì)下降。

Cavity Model

    當(dāng)能量feed in進(jìn)入平板天線(xiàn)時(shí)，在平板天線(xiàn)的上下二個(gè)表面會(huì)有電荷的分布，接地面也會(huì)有電荷的分布，如圖9所示。有二種機(jī)制，一種是吸引，另一種則是排斥。吸引機(jī)制是來(lái)自平板天線(xiàn)的下表面和接地面有不同的電荷極性所致，這個(gè)機(jī)制使電荷能集中在平板天線(xiàn)的下表面，而排斥機(jī)制來(lái)自于平板天線(xiàn)的下表面，此機(jī)制使下表面的電荷往上表面流，產(chǎn)生相對(duì)的電流密度JbandJt。由于在大部分的實(shí)際應(yīng)用中，h/W的比例通常都很小，所以主要為吸引機(jī)制，而且，大部分的電荷分布和電流密度分布在平板天線(xiàn)的下表面，Jt會(huì)隨著h/W的比例越小而越小，最后近似于0。因?yàn)镴t是0，所以在平板天線(xiàn)的四邊并沒(méi)有切線(xiàn)方向的磁場(chǎng)分布，因此可以把這四邊看成是perfectmagnetic conducting surfaces。實(shí)際上。 h/W并非無(wú)限的小，所以這四邊并非為perfect magnetic conducting surface，但可以此作一很好的近似，且因?yàn)榛宓暮穸群苄。詅ringing field也較小，因此可以把電場(chǎng)分布想成均垂直導(dǎo)體表面而只考慮TM x field的傳輸模式。最后這個(gè)cavity就可以把它看成是上下二個(gè)perfect electric conducting surfaces，前后左右為perfect magnetic conductingsurfaces。