在高效能的衛(wèi)星、飛機、太空梭和行動通訊手機應(yīng)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(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，使得平板天線成為現(xiàn)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(wèi)星行動通訊來說，平板天線有和高頻前端模組易結(jié)合的好處，且平板天線的指向性雖然很差，卻很適合應(yīng)用在無線行動通訊系統(tǒng)。

  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(jìn)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(shè)計軟體ADS(Advanced Design System)實際設(shè)計幾個不同feed in的天線，然后作一總結(jié)。

天線饋入方式

Transmission Line Feed

    圖1所示是利用傳輸線來feed能量進(jìn)入天線中。 Feed in 點深入平板天線中對諧振頻率并不會有太大的影響，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(shù)要高才能把大部分的電磁場包在基板里面。但是對天線來說，卻希望基板厚度要厚，介電常數(shù)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(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(fā)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，就是制作不易，那是因為在基板上打洞，并且要把coaxial cable的中心針焊在天線上并不是一件簡單的事，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(dāng)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(gòu)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(dá)到最佳化。上層用較低的介電常數(shù)和較厚的板子來作以提高幅射，下層用較高的介電常數(shù)和較薄的板子來作以減少傳輸線幅射的產(chǎn)生，這是單層板所沒有的優(yōu)點。但是因為結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，所以并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(jié)構(gòu)，由于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(jìn)去。這種不對稱的方式會產(chǎn)生higher order modes和cross-polarized radiation。為了避免這種情況的發(fā)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(gòu)，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(chǎn)生一個虛偽的幅射。稱為虛偽幅射是因為它并不是我們想要得到的，因此，有必要使slot遠(yuǎn)離平板天線的幅射邊，以減少虛偽幅射的產(chǎn)生，且應(yīng)適當(dāng)?shù)臎Q定slot的尺寸，以避免在平板天線的操作頻帶中，發(fā)生諧振而影響到正常的操作。

圖5

分析方法

Transmission-Line Model

    傳統(tǒng)的microstrip line如圖6所示，上下二個金屬面所看到的介質(zhì)的介電常數(shù)不同，所以有不同的波速。若等效成一個均勻的介質(zhì)來看，須引入一個有效的介電常數(shù)εeff。 εeff和基板的介電常數(shù)、microstrip line的長度、寬度有關(guān)，其關(guān)系如式(1)。

    當(dāng)寬度遠(yuǎn)大于基板的厚度時，電磁場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，電磁場不只會在基板上，也會飛到空中，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，大部分的電磁場會被包在基板當(dāng)中，因此有效的介電常數(shù)εeff 會接近基板本身的介電常數(shù)εr。又由于fringing effect的效應(yīng)使有效的長度大于實際的長度，因此，在設(shè)計天線時應(yīng)把由于fringing effect所造成的影響△L加入設(shè)計的考量當(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，fringing也會增加導(dǎo)致Leff會越大，即二個幅射邊相距越遠(yuǎn)，根據(jù)式(5)可知，諧振頻率也會下降。

Cavity Model

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

由于平板天線的厚度很薄，電磁波跑到平板天線的幅射邊時會遭遇到很大的反射而使幅射效率變差。透過解wave equations可以知曉電磁場的分布，Vector potential Ax須滿足式(6)：

    利用分離變數(shù)法可得式(7)：

    一些基本的諧振模式如圖10所示。 Cavity Model的等效電流密度如圖11(a)，等效的電流及磁流密度如式(13)。