图10
因为h/W很小，所以patch antenna的上表面电流密度是小于下表面的电流密度。我们假设切线方向的磁场是０，因此等效的电流密度Js 将很小。我们令其为０以利后面的计算，如图11(b)所示。而由于接地面的关系，会使slot对地面产生一个image的效果，而使磁流变成二倍，即Ms=-2nXEa ，如图11(c)所示。二个幅射边的磁流如图12所示，可以看成是二个dipole形成阵列天线彼此相距L的距离。对TMx010 mode来说L=λ/2，中间平行板则形成低阻抗的转换器，在垂直天线的方向二个dipole同相位，所以有最大的幅射量(broadside)。而平行天线的方向因相差180°，所以有一null产生。二个不幅射边的磁流如图13所示，在每一边的磁流量值相同但方向相反因此互相抵消而不幅射，典型的E和H plane的场型如图14所示。
图11
图12
图13
图14
利用ADS设计平板天线
首先在ADS Main Window中开启一个Data Display Window(点选window new data display)后在此视窗中建入Equation(1)、(2)、(3)如图1，然后在Layout Window中画出电路图形(图2)，而后点选Layout Window中momentum substrate create/modify 去定义基板参数(图3、4)；点选momentum mesh setup，设定切割区块的大小和切割的频率，如图5；点选momentum simulation S-parameters，启动电磁模拟器momentum并开始模拟，如图6。模拟结束后可在Data Display Window中看到模拟结果，如图7所示，点选momentumapost -processingaradiation pattern，去看远场场型(Far-field pattern)，如图8所示；在图8的视窗中可点选current set port solution weights，设定想看电流变化的频率点，如图9、10。图11秀出在谐振频率点的电流变化。
图1 在data display window中建入equations
图2 平板天线的布局图
图3 定义基板参数
图4 定义金属参数
图5 设定mesh frequency 和 mesh density
图6 模拟设定
图7 在Data Display Window中秀出模拟的结果
图8 远场场型
图9 设定想看的频率点
图10选择观看结果的视窗
(a)在0度的电流变化
(b)在60度的电流变化
(c)在120度的电流变化
(d)在180度的电流变化
(e)在240度的电流变化
(f)在300度的电流变化
(g)在360度的电流变化
图11谐振频率点的电流变化
另一个例子是ADS系统内建的例子。这个例子可以从ADS Main Window中的File example project momentum antenna single_patch_prj找到，我们也可以用之前建入的Equation去计算电路的尺寸，如图12。将基频(fundamental frequency)设定为为7.6GHz，基板的介电系数为2.2、厚度为0.79mm，之后建构实体电路在Layout Window内，如图13所示。模拟完之后可以在Data Display Window 中看到结果，从图14中可以看到两个谐振的频率点，一个在7.6GHz，一个在18.37GHz。用第二个分析方法来看可以知道第一个谐振频率为TM001 mode；第二个谐振频率为TM030 mode，电流变化和远场场型分别在图15、16中。
图12 计算电路的尺寸
图13 电路的布局图
图14 在Data Display Window中秀出模拟结果
(a)TM001 7.6GHz
(b)TM030 18.37GHz
图15 电流变化
(a)远场场型 7.6GHz
(b)远场场型 18.37GHz
图16 远场场型
结论
本文一开始先介绍天线馈入的方式，不同的馈入方式对平板天线的效能有决定性的影响，Transmission Line Feed 可以改变输入的阻抗值，对谐振频率并不会有太大的影响，Coaxial Feed和平板天线的排列成正交垂直，所以有很好的隔离度，Coupled Feed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，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，Slot Feed 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度。
其次介绍两种分析平板天线的方法，一种是以Transmission-Line Model 来分析电路，另一则利用Cavity Model来做分析，利用Transmission-Line Model 可以设计平板天线的实际尺寸，再利用ADS 做模拟，如第一个设计的例子所述，利用Cavity Model 可以对平板天线实际的谐振情形有更深入的了解，如第二个例子所述。
以ADS实际设计几个例子，主要的目的是希望能帮助设计者使用ADS快速的完成设计的工作。更深入的理论可以参考Constantine A.Balanis , antenna theory analysis and design, Second Edition, Wiley, CH12, 2000。
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