王棓熲、李偉宇、鍾蔿 / 工研院資通所
法布立–佩羅共振腔天線(FPCA)因其強大的波束聚焦能力和構造上的簡易性，在高品質電信和遙測研究中，已引起熱烈的關注。其主要由下列元素組成：一個相對較小的天線單元作為輻射波源、一個安裝於背面的反射板和一個頻率選擇表面，尤其是後者需要設計的巧思以改變波束形狀。本研究以先前獲證專利的技術為基礎，設計一個用於次兆赫波頻段高增益天線罩的雙極化FPCA。作為一種人造材料合成的樣式，本研究開發的頻率選擇表面天線罩完全可用一個均質性和週期性的超穎表面實現。我們所提出的結構，一如模擬數據證實，展示理論和構造全盤規劃的簡潔性以及可預期工作表現的精準性。大體上在150 GHz時，其可改善波束聚焦增益大於6 dB，亦即，發射站與接收站作為構成整個通訊系統之要素，兩端天線共可抵銷12 dB的傳輸路徑損耗；且其有望成功整合於產業界盛行之印刷電路板製程。此外，此設計僅占2.9平方公分的面積。考量其可抵抗傳輸路徑損耗、低調和可微型化的優勢，能有效成為下世代超高頻無線電傳播之解決方案。
【內文精選】
FPCA技術回顧
FPCA為結合法布立– 佩羅共振腔(Fabry-Pérot Cavity; FPC)和天線單元(Antenna Element)構造之高增益天線結構。自19世紀末，夏爾·法布里(Maurice Paul Auguste Charles Fabry)和阿爾弗雷德·佩羅(Jean-Baptiste Alfred Perot)兩位法國科學家發明此共振腔作為干涉儀之用後，便廣泛用於雷射共振腔設計，藉由干涉條紋解析雷射頻譜。近年來，於射頻領域中，法布立–佩羅共振腔因實現手段簡易、成本低廉，便於和天線單元整合於平面印刷電路製程，更頻繁被應用至天線波束聚焦上，以提供更高的通訊品質。為數眾多的文獻都針對共振腔的設計，提出了不同天線罩幾何構造的方法。
在FPCA的架構中，天線單元作為電磁輻射波源，鑲嵌於共振腔之中。其中下方通常是接近完全反射的反射板，例如全金屬的印刷電路層；上方則是部分反射、部分穿透之部分反射面(PartiallyReflective Surface; PRS)，或稱頻率選擇表面(Frequency Selective Surface; FSS)，是為天線罩主體。當電磁波行進於上下反射板之間，便在每次抵達頻率選擇表面時，能量部分穿透共振腔上方邊界，形成向空氣輻射之新的點波源；將所有波源疊加後，便會產生光學干涉的效果，在天線罩前方產生光學聚焦的高增益波束。
平面印刷天線整合特性驗證
本研究設計圖七的雙極化貼片天線，取代前述單極化之測試用號角天線。圖左上角為天線架構，電路板上方為圓形貼片天線主體，天線主體中間另有兩個小的圓形墊片，和大貼片之間隔著環狀隙縫，以電容形式將能量導引至天線，令其輻射；側向剖面可見電路板內層有由下往上的金屬通孔，將下層的輸入訊號源導通至上方的天線；電路板下層基本上為金屬接地面，但必須有兩個開口(紅色方塊標示處)，供給雙極化波源各自輸入訊號。右上角為天線散射參數之模擬結果，可觀察S11和S22(兩線重疊)在150 GHz約為-17.5dB，代表反射損耗極低(約為2%)，能量大部分可進入輸入源端口；S21(與S12兩線重疊)則約為-28 dB，代表訊號由輸入源1洩漏至輸入源2的能量散逸極低(約為0.2%)，兩個極化通道互相獨立，通訊過程中彼此干擾程度輕微。圖七下半部則為增益vs.頻率作圖和兩通道的波束形狀。在頻率135至165 GHz之間，增益約落於5.5至6.2 dB，中心頻150 GHz增益約為6.2 dB；其波束形狀和前述的號角天線類似，接地面上方近似圓球體分布，僅增益較之低1 dB左右。
圖七、雙極化貼面天線結構設計圖與輻射特性
共振腔高度影響FPCA特性深遠，因此在圖九，我們更詳盡分析高度變化的效應。根據前述結果，最佳化的高度為0.8毫米，增益最大值操作頻率落在149.8 GHz，和目標頻率150 GHz僅差0.2 GHz。然而，圖九的模擬性能顯示，當高度增加至0.85毫米，增益極值的共振頻率往低頻漂移至145.8 GHz；反之，當高度減少至0.75毫米，增益最大值落點會遷移至更高頻154 GHz。在兩個例子中，天線罩前方的增益在150 GHz都會削減，分別為9.6和11.2 dB。在前者例子中，若檢視其場型，雖然在150GHz增益最大值為11.9 dB，但從其縱切面進一步觀察，場型軌跡不似橢圓而似三角形，三角形的最大值偏移正前方約20度---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖九、不同共振腔高度下的FPCA設計特徵
★本文節錄自《工業材料雜誌》428期，更多資料請見下方附檔。