三方形環狀單極天線置於無線網路卡前端之應用

應用於多接收多發送（MIMO）天線系統時，天線間的信號干擾若太高將使 基頻端的信號處理無法解出原來信號，所以天線間的信號干擾必須降低到-10dB 以下，這也限制了天線能擺設的位置。在此我們將其中兩支天線擺設在無線網路 卡的兩旁，另一支擺設在前端靠中間的位置如圖2.3.1 所示， 天線間的距離盡量 拉開以降低干擾，但實際的應用能使用的面積有限，所以只單純利用天線間的距 離和接地金屬去阻擋天線間的信號干擾，是很難達到要求的-10dB，而這個天線 系統也有這個問題，天線 2 和 3 之間的信號干擾量就達到-8.68dB。右上角接地 面的缺角是為了給晶片天線（chip antenna）放置，視設計者的需要，若有需要可 以再增加。

天線 1 到天線 3 是由傳輸線餽入ㄧ開路共振環結構，由第ㄧ節知道 2.4GHz 等效二分之波長約為 3.4 公分，即34mm，天線 2 開路環長度約為二分之波長，

但是天線 1 和天線 3 開路共振環長度比天線 2 短，因為天線 1 和天線 3 周圍被接 地金屬圍繞對地電容較大緣故，所以尺寸上比天線 2 小。天線 1 到天線 3 於高頻 5GHz 頻段主要是由較短的分支進行輻射。

l=48mm

＝1.6mm，d13＝5.73mm。

由上一節對方形環狀天線的模擬可知，天線輻射除了天線本身的輻射電流 外，靠近天線的接地面上電流也幫助輻射或是造成破壞性干涉，所以我們可以調 整天線1 路徑 1 長度（圖 2.3.1 所標示），或是接地面環繞天線部分路徑2（圖 2.3.1

所標示）的長度和形狀，來調整天線的共振長度和電流分佈位置以得到我們想要 的電流路徑長，此方形環狀天線也是個濾波器的結構，環狀開路環長度在2.4GHz 頻段約為半波長，所以可以達到雙頻的效果。因為天線能使用的面積只有4.8CM

×2.8CM，所以縮小天線面積增加接地面繞在天線周圍的長度，所以環繞天線 1 和4 的接地金屬往內延伸，以匹配各頻段操作。

此天線系統也是在 FR4 板上實現，使用的板厚度是 0.8mm ，FR4 板的基本 係數在前面已經介紹過，在此不再敘述。這架構模擬是利用Ansoft HFSS 模擬軟 體所模擬，圖2.3.2 是模擬和量測的反射損耗數據圖。反射損耗（Return loss）10dB 頻寬在操作頻率2.4GHz 可操過 350MHz，5GHz 的頻寬超過 1GHz 符合要求。

圖 2.3.2 整合三天線系統模擬和量測的反射損耗圖

1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5

Frequency (GHz)

Return loss

-40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0

(dB)

Simulated S11 Simulated S22 Simulated S33

Measured S11 Measured S22 Measured S33

1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 Frequency (GHz)

-40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0

(dB)

(b)

Simulated S23 Measured S23

1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5

Frequency (GHz) -40

-35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0

(dB)

Simulated S12 Measured S12

(a)

圖 2.3.3 整合三天線系統模擬和量測的信號干擾量數據圖（a）天線 1 和天線 2 模擬和量測的信號干擾量（b）天線 2 和天線 3 模擬和量測的信號干擾量（c）天 線1 和天線 3 模擬和量測的信號干擾量

1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5

Frequency (GHz) -40

-35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0

(dB)

(c)

Simulated S13 Measured S13

由量測的數據可知：只有在操作頻段 2.4GHz 內，天線 2 和 3 間的信號干擾 量達到-8.68dB，其它天線 1 和 2 間、天線 1 和 3 間的信號干擾量皆在-10dB 以下，

5GHz 頻段的耦合量皆在-10dB 以下，這是因為在 5GHz 頻段，電磁波在介質基 板中傳播半波長約 16.2mm，而在這頻段裡，天線間的距離相對於波長約 1.2 個 半波長，所以低頻的信號干擾量是還需要改進的地方。

下列圖 2.3.4 到圖 2.3.15 是量測的輻射場型，以下量測天線的條件是當一支 天線餽入信號時，另外兩支天線接上50 歐姆的負載。由量測的輻射場型圖觀察 可知，當其中一支天線幅射場型在某個方向增益不高時，會有另外兩支天線補 償，這就是場型分集的設計，以圖2.3.4 到 2.3.6 為例，天線 1 的 XY 和 YZ 平面 的輻射場型主要是負責右邊的輻射，天線2 主要是向前輻射，XY 和 YZ 平面在 兩邊的輻射就較弱，天線3 就補天線 1 和天線 2 向左邊輻射的不足，由其它頻段

的輻射場型觀察得知亦有場型互補的功能。輻射場型在每個平面量測的平均增益 和峰值增益整理於表2-2 到表 2-4。

X Y

antenna1 antenna2

antenna3

Total E-Phi E-Theta

(a) XY-plane

(b) YZ-plane (c) XZ-plane

0

45

90

135

180 225

270 315

-30 -20 -10 0

-35 -25 -15 -5 5

0

45

90

135

180 225

270 315

-30 -20 -10 0

-35 -25 -15 -5 5

0

45

90

135

180 225

270 315

-30 -20 -10 0

-35 -25 -15 -5 5

圖 2.3.4 天線 1 於 2.44GHz 量測的輻射場型（a）XY 平面（b）YZ 平面（c）

XZ 平面

X

(a) XY-plane

(b) YZ-plane (c) XZ-plane

0

(a) XY-plane

(b) YZ-plane (c) XZ-plane

0

X

(a) XY-plane

(b) YZ-plane (c) XZ-plane

0

(a) XY-plane

(b) YZ-plane (c) XZ-plane

0

X

(a) XY-plane

(b) YZ-plane (c) XZ-plane

0

(a) XY-plane

(b) YZ-plane (c) XZ-plane

0

X

(b) YZ-plane (c) XZ-plane

(a) XY-plane

0

(a) XY-plane

(b) YZ-plane (c) XZ-plane

0

X

(a) XY-plane

(b) YZ-plane (c) XZ-plane

0

(a) XY-plane

(b) YZ-plane (c) XZ-plane

0

X

(a) XY-plane

(b) YZ-plane (c) XZ-plane

0

5.25GHz 5.80GHz

平均增益 峰值增益 平均增益 峰值增益 XY平面 -1.4dBi 5.95dBi -2.16dBi 5.2dBi YZ平面 -1.87dBi 2.89dBi -1.06dBi 2.84dBi XZ平面 0.37dBi 5.92dBi -1.5dBi 2.59dBi

表2-3 三方型環狀單極天線系統在各平面輻射場型的平均增益和峰值增益：天 線2

2.44GHz 4.9GHz

平均增益 峰值增益 平均增益 峰值增益 XY平面 -1.91dBi 2.68dBi -1.54dBi 1.99dBi YZ平面 -3.14dBi -0.53dBi -0.4dBi 2.6dBi XZ平面 -0.37dBi 1.72dBi -2.78dBi 2.44dBi

5.25GHz 5.80GHz

平均增益 峰值增益 平均增益 峰值增益 XY平面 -1.57dBi 2.72dBi -1.59dBi 2.04dBi YZ平面 -0.07dBi 2.44dBi -1.6dBi 1.46dBi XZ平面 -2.16dBi 2.53dBi 0.14dBi 4.26dBi

表2-4 三方型環狀單極天線系統在各平面輻射場型的平均增益和峰值增益：天 線3

2.44GHz 4.9GHz

平均增益 峰值增益 平均增益 峰值增益 XY平面 -1.59dBi 3.56dBi -2.92dBi 3.5dBi YZ平面 -3.01dBi -0.11dBi -1.39dBi 0.92dBi XZ平面 -1.09dBi 2.28dBi -1.45dBi 6.11dBi

5.25GHz 5.80GHz

平均增益 峰值增益 平均增益 峰值增益 XY平面 -2.46dBi 3.45dBi -2.67dBi 3.09dBi YZ平面 -0.09dBi 4.37dBi -1.39dBi 1.27dBi XZ平面 -1.68dBi 4.91dBi -1.84dBi 4.31dBi