(Triple-band antenna with modified open-loop resonator)
本章節主要在敘述本論文中所提出三頻天線的架構、設計方法、以及實作量 測結果；最後我們會利用分集式天線的概念將其實現在無線網路卡上，所以本章 節一開始我們會先藉由雙頻開路諧振環單極天線的引入讓讀者進而了解三頻天 線的設計，最後再導入分集式天線的概念。
3.1 雙頻開路諧振環單極天線介紹
首先，我們先介紹雙頻開路諧振環單極天線。此雙頻天線的設計是將兩個基 本共振型態結合在一起，且兩種型態在第二章中已經有所介紹。此雙頻天線中所 使用的板材為FR4板，FR4板有其便宜的優勢，板材參數設定如下：
介電常數 (Dielectric constant εr)：4.7 損耗正切 (Loss tangent tanδ)：0.02 導體金屬，導電係數：銅(copper)，5.88×107 基板厚度：0.8mm
本節中的雙頻天線是針對符合WLAN 802.11a/b/g頻段的無線區域網路卡來 設計的，所以採用工業界常用較便宜的FR4板。而一般網路卡地(ground)的大小 約為47×85mm2，所以在以下的設計中皆設定整隻天線的地(ground)寬為47mm、長 為85mm。
3.1.1 5GHz倒L型單極天線
由第二章知道倒L型單極天線不僅有一般單極天線輻射場型上適合用在無線
網路中的優點，也有尺寸縮小化的目的，因此在本節中的雙頻天線，利用倒L型
圖3.2為圖3.1倒L型單極天線的反射損耗(return loss)利用EM軟體(IE3D)
的模擬圖，可看出其涵蓋的頻寬有1GHz以上，且涵蓋的頻段包含802.11a的頻段 (5.15GHz~5.35GHz/5.75GHz~5.85GHz)，符合我們一開始設計的頻段。
圖3.2 5GHz單極天線模擬S11圖
3.1.2 不同面耦合餽入雙頻開路諧振環天線
在本節中要敘述如何將操作在低頻的方型開路諧振環與操作在高頻的倒L型 單極天線做結合。吾人是利用兩者間彼此的互相耦合來達到只需要一個餽入電 路，而達到雙頻的目的；為了使倒L型單極天線與開路諧振環有耦合的現象發生，
必須兩者間有一部分重合，因此在此先討論是否只要任一部分線段重合即可發生 耦合而有雙頻的效果。圖3.3、圖3.4、圖3.5為開路諧振環相對於倒L型天線不同 的擺設位置圖及模擬出的反射損耗(return loss)圖；圖中虛線部份為操作在低 頻二分之一波長的方型開路諧振環，線寬為1mm，總長度約為39mm，位於板子的 背面，有一部分與正面操作在高頻的倒L型單極天線完全重疊，可以發現當開路
諧振環的開口端向右及向左時，如圖3.3 (a)(b)，原本操作在高頻(5.25GHz)的 倒L型單極天線依然有在略低於原本共振頻段處匹配，但低頻(2.45GHz)只有一點 點共振的趨勢，但匹配效果不佳；此結果仍可說明利用耦合的方式來結合此兩種 不同共振機制達到雙頻的目的是可行的，但此兩種方式不易匹配，非最佳的耦合 方式。
Gound (85x47 mm2) Feed line
(a)
Feed line
Gound (85x47 mm2)
(b)
圖3.3 不同位置耦合餽入開路諧振環架構及模擬結果 (a)諧振環開口向右 (b) 諧振環開口向左
若採用如圖3.4(a)，開路諧振環開口向上時，有很明顯的兩個匹配頻段，原 本操作在5.25GHz的倒L型單極天線匹配頻段移到較低頻4.3GHz左右，而低頻的共 振頻段約在2.9GHz附近。此時的共振環總長度仍與圖3.3中一樣，倒L型天線的總 長也維持與圖3.1、圖3.3中一樣。
Feed line
Gound (85x47 mm2)
(a)
Feed line
Gound (85x47 mm2)
(b)
圖3.4 不同面耦合餽入開口向上諧振環結構及模擬結果 (a)諧振環總長度為 39mm，倒L型天線總長為11.5mm (b)諧振環總長度為47mm，倒L型天線總長為5.5mm
若依照倒L型單極天線及開路諧振環調整共振頻率的基本原則，想要將圖 3.4(a)中 反 射 損 耗 圖 的 兩 個 共 振 匹 配 頻 段 調 整 到 符 合 802.11a/b/g 的 規 範 (2.4GHz~2.5GHz/5.15GHz~5.825GHz)，必須要將開路諧振環的總長度加長、倒L 型單極天線總長度縮短，使得共振頻段調整到2.4GHz和5GHz，如圖3.4(b)，倒L 型天線總長度由11.5mm縮短至約5.5mm，開路諧振環總長度原本約為39mm增加至 47mm，但從圖3.4 (b)的反射損耗圖可以發現雖然低頻的共振頻段有往下移但頻 寬變的很小，且在模擬過程中二分之一波長的開路諧振環所佔的面積越來越大然 而低頻共振頻段卻移動的有限；而高頻的匹配亦變差且匹配頻段也沒有與增加的 長度成正比的改變，表示現在的高頻共振已不是單純靠著正面的倒L型單極天線 在控制，而是同時也被背面的開路諧振環的倍頻共振(一個波長共振)所限制，因 此此種耦合方式也不是最佳。
Gound (85x47 mm2) Feed line
圖3.5 不同面耦合餽入開口向下諧振環
最後如圖3.5，當開路諧振環的開口向下耦合時，且開口斷路 (open) 處與 倒L型天線切齊，經模擬發現可以在倒L型單極天線和開路諧振環本身自己的共振 頻段附近同時得到很好的匹配，因此經過以上的試驗，知如圖3.5的耦合餽入方 式是最適當的。在圖3.5中，其重疊耦合的線段是從倒L型單極天線的斷面部分與
開路諧振環斷面開路部份開始耦合，所以其上下兩層重疊的部分電流分佈的強度
Wres=7mm Lmono=7.275mm Hmono=4.225mm
模擬及實際量測結果如圖3.7，在低頻的頻寬大約有220MHz(2.31~2.53GHz)，高 頻的頻寬約有1GHz(5.1~6.17GHz)，可以符合802.11a/b/g的規範。
圖3.7 不同面耦合餽入雙頻開路諧振環單極天線反射損耗圖量測圖
3.2 三頻改良式開路諧振環單極天線
在上一節中，我們已經可以清楚的知道，如何利用倒L型單極天線與二分之 一波長開路諧振環這兩種不同的共振機制設計出適用於WLAN 802.11a/b/g頻段
的雙頻天線，接下來我們將更進一步的將雙頻天線推廣為三頻天線，以適用於 WLAN 802.11a/b/g及WiMAX 的無線通訊中。
3.2.1 不同面耦合餽入改良式開路諧振環天線
為了符合WiMAX 的使用頻段，在原本雙頻天線的架構下，我們必須產生一個 新的共振路徑使其操作在3.5GHz，然而操作在2.45GHz的二分之ㄧ波長的開路諧 振環是一個好的選擇，因為3.5GHz的共振波長比2.45GHz的共振波長來得短，且 開路諧振環的內環具有足夠的空間增加另一共振路徑使其操作在3.5GHz，圖3.8 為三頻改良式開路諧振環單極天線的架構，我們在原本的開路諧振環中加入了R5 及R6兩條路徑，其中路徑R6的加入主要是使得諧振環在3.5GHz增加一共振路徑，
而適當的調整路徑R5的長度可以使得我們在3.5GHz及5GHz得到最好的匹配，接下 來我們將分別討論加入路徑R5及R6對三頻改良式諧振環單極天線的影響。
圖3.9為在原本雙頻天線架構的開路諧振環中先加入了一路徑R6後的架構，
從圖中可以知道加入路徑R6會使得3.5GHz和4GHz間多出一個新的共振頻率，且隨 著路徑R6的增加，共振頻率也跟著下移，很明顯的R6的增加伴隨著新的共振路徑 的產生，但另一方面路徑R6可增加的長度受到了諧振環內環大小的限制。圖 3.10 為改變R6長度由6mm到11mm的反射損耗圖，可以發現當R6增加到最大長度11 mm 時，新路徑的操作頻率落在3.66GHz且頻寬只有240MHz (3.54GHz~3.78GHz)，並 不符合WiMAX的規範。
Feed line
frequency (GHz)
2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0
ret u rn los s ( d B )
-35
frequency (GHz)
2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0
ret u rn los s ( d B )
-35
模擬結果如圖3.12，在2.45GHz的頻寬大約有150MHz(2.39~2.54GHz)，3.5GHz 的頻寬約有380MHz(3.25~3.63GHz)，5GHz的頻寬大於1000MHz(4.79~6GHz)可以符 合802.11a/b/g及WiMAX 802.16e的規範。
frequency (GHz)
2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0
re turn loss ( d B )
-35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5
圖3.12 三頻改良式開路諧振環單極天線反射損耗圖模擬圖
3.3 量測結果
如圖3.13是圖3.8三頻天線架的實體天線照片，各參數尺寸為L1=6.28mm、
L2=5mm、R1=9.5mm、R2=15mm、R3=3mm、R4=4.5mm、R5=7mm、R6=11mm、R7=12mm、
G1=1mm及G2=0.5mm，其反射損耗模擬與實際量測比較如圖3.14。從圖中可以看出 2.45GHz的10dB頻寬有130MHz，3.5GHz的10dB頻寬約有270MHz左右，而5GHz的10dB 頻寬有1GHz以上，此頻寬皆可以滿足802.11a/b/g WLAN及WiMAX的規範，詳細頻 段整理如表3-1。
(a)
(b)
圖3.13 三頻改良式開路諧振環單極天線實體天線照片 (a)正面 (b)背面
frequency (GHz)
2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0
return loss (dB)
-35
共振頻率(GHz) 2.42GHz~2.55GHz 3.34Hz~3.61GHz 4.77GHz~
頻寬 130MHz 270MHz 1GHz以上
表3-2 三頻改良式開路諧振環單極天線各頻率輻射場型的最大增益(peak gain) 和平均增益(average gain)
2.45GHz 3.50GHz
Peak gain Average gain Peak gain Average gain XY-plane 1.99dBi -2.58dBi 5.73dBi -0.38dBi XZ-plane -3.84dBi -4.83dBi 2.09dBi 0.46dBi YZ-plane 2.28dBi -2.47dBi 5.11dBi 0.59dBi
5.25GHz 5.80GHz
Peak gain Average gain Peak gain Average gain XY-plane 2.28dBi -2.33dBi 3.13dBi -1.34dBi XZ-plane -0.68dBi -2.30dBi 1.15dBi -0.56dBi YZ-plane 0.37dBi -3.22dBi 0.27dBi -3.80Bi
Total E-Phi E-Theta