印刷式切換波束T型單極天線 - 應用於無線網路之印刷式三頻天線與切換波束天線之研究

(Printed switch beam T-shape antenna)

在第二章中，已簡單的描述了在本論文中用來設計此切換波束天線的基本原理，因此在本章中將說明如何利用八木天線的設計原理使天線的輻射場型具有方向性的效果及利用倒L單極天線的設計原理將天線有效的縮小化的目的，最後我們將利用二極體當作電路切換器來控制天線波束的切換。

4.1 智慧型天線(Smart antenna)

智慧型天線之概念源自於適應性天線陣列(Adaptive Antenna Array)，最初是應用於雷達、聲納和軍事通訊領域，近年來由於數位訊號處理技術的迅速發展、IC 處理速度的提高和價格的普及，使得智慧型天線技術在商用無線通訊系統中的運用可能性大幅提高。所謂智慧型天線，可視為一種充分利用空間資源進行訊號品質提升、干擾抑制(或消除)及適應性波束調整的機制。其最初的運用模式是利用天線陣列提供之天線增益(Antenna Gain)用以提升訊號雜訊比(SNR)；而為對抗無線通道的多路徑衰落現象，亦可利用天線陣列進行空間分集 (Spatial Diversity)，以獲得分集增益(Diversity Gain)；另一種更具智慧的方式是利用訊號方向性之波束形成(Beamforming)技術，它能運用具自我適應、調整功能之演算法驅動陣列天線，使之產生特定的波束形狀將主波束對準目標訊號用以強化接收品質，同時調整零陷(Null)點，使之對準干擾訊號用以抑制(或消除)干擾，

從而達到增加系統容量、擴大涵蓋面和提高傳輸率的多重目的。

智慧型天線技術藉由空間自由度之引入，提供一個可受控制的空間多重進接 (Spatial Division Multiple Access, SDMA)能力。SDMA的主要效果在壓抑共通道干擾(Cochannel Interference)，可在不影響通訊品質的前提下提升系統容

量，或在不改變系統容量的前提下提升通訊品質。傳統使用之固定扇形區分 (Adaptive Antenna)兩類，概述如下：

(1) 切換波束(Switched Beam)

利用多個指向不同方向的波束覆蓋整個通訊區域，當用戶進入某特定波束的涵蓋區(Beam Footprint)時，智慧型天線會切換至該波束，使得接收訊號強度達到最大。由於方法簡單且不需複雜的運算，Switched Beam智慧型天線仍為目前最被廣泛使用的類型。

(2) 適應性天線(Adaptive Antenna)

運用數位訊號處理和適應性陣列技巧，藉訊號方向性及傳播通道特性計算並

適應性地調整天線權值(Weights)，產生所需之波束場型(Beam Pattern)。目的

接收品質，亦逐漸引入下鏈智慧型天線(常用於分時雙工系統；TDD)，以建立雙 (Software Defined Radio, SDR)的概念來實現智慧型天線已成為主流趨勢。軟體無線電的主要概念為「採用開放式架構，系統可以軟體自行完成功能性的重

(2) 由指向性天線到SDMA

早期的智慧型天線利用指向性波束涵蓋特定之扇形區(Sector)，服務部分用戶。目前則隨著晶片處理速度的加快，天線波束的自適應調整、追蹤能力已可達到即時處理，使得「每一用戶具有專屬波束」的SDMA得以實現。

(3) 由空間分集到空間多工(Spatial Multiplexing)

MIMO雙邊陣列技術可提供發射及接收空間分集，有效對抗通道衰落現象，

亦可提供「空間多工」，在傳送端陣列天線同時傳送多組不同之資料，並在接收端分別予以解出，以提高系統的整體傳輸速率。

4.2.印刷式切換波束T型單極天線

由於最後必須將2.45GHz印刷式切換波束天線與實際電路結合，因此在一開始的天線設計上我們將天線分為波束切換的原理、T型單極天線的設計及電路切換器控制電路三個部份並加以說明。

4.2.1 波束切換原理---切換波束偶極天線設計

從第二章中八木天線設計原理的介紹，可以大致上分成兩個概念:

(1) 指向性: 天線場型的指向性主要是由左右寄生單元的長度所控制。

(2) 增益: 天線增益的最佳化可透過改變各寄生單元與偶極天線的距離獲得。

如圖2.9所示在原本八木天線的設計中，在具有對稱場型的偶極天線左邊加入一個比偶極天線長的寄生單元作為反射器(reflector)，並且在其右邊加入一個比偶極天線短的寄生單元作為引向器(director)即可獲得一具有指向性且高增益的輻射場型，在這樣的架構下；天線的指向性已經固定了，因此如何獲得最佳化的增益一直都是研究八木天線上的重要課題。但是在切換波束天線的設計中，切換具有指向性的輻射場型設計是我們最優先考量，因此我們將原本八木天線不對稱的架構改變成對稱架構，並透過電路切換器(switch)的切換來改變寄生單元的長度改變波束的指向性來獲得切換波束的效果。

如圖4.1為切換波束偶極天線的架構及場型切換示意圖，在偶極天線的左右兩邊我們各加入了一個長度比偶極天線還長的寄生單元，而控制寄生單元長度電路切換器的選擇上我們選用了二極體，因為二極體在順偏導通時可視作短路而在不給偏壓時可視作開路。所以在這樣的架構下，只要透過簡單的偏壓電路來操作二極體就可以來控制寄生單元的長度進而改變波束的切換方向，而天線幅射場型的切換方向與電路切換器操作模態的相對關係如圖4.1所示，透過兩個電路切換器的操作可以得到開路模態、右切模態及左切模態三種輻射場型。

開路模態

二極體: 左邊開路右邊開路 d

二極體

d d

二極體

左切模態

二極體: 左邊開路右邊短路

右切模態

二極體: 左邊短路右邊開路

(a) (b)

(d)

(c)

圖4.1 切換波束偶極天線示意圖 (a) 天線架構 (b) 開路模態 (c) 右切模態 (d) 左切模態

4.2.2 2.45GHz T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，但在本論文中的切換波束天線必須考慮到切換波束的對稱性，所以在激發天線的設計上；對稱的架構是必須考慮到的，

因此將倒L型單極天線改變成具有對稱架構的T型單極天線，並使其操作在 2.45GHz。圖4.2為操作在2.45 GHz 倒L型單極天線及T型單極天線的架構；天線各尺吋為T1=12.65mm、T3=9.15mm、T2=T4=15.215mm，分別利用EM模擬軟體(HFSS) 模擬出天線在XY平面的輻射場型(radiation pattern)及反射損耗(return loss) 圖，由模擬結果可以知道，對稱架構的T型單極天線其輻射場型也是具有對稱性

re turn los s (dB )

-35

構、XY平面的場型及反射損耗圖，其中T5=7.65mm、T6=15.215mm，單邊開路段的大小為5mm x 3mm；且開路段與天線地重疊的寬度有0.5mm，可以看到的；多加入的對稱開路段並不影響天線場型在XY平面上的增益及對稱性，但卻讓天線在

T shape with stub

(a) (b)

frequency (GHz)

2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 3.0

return loss (dB)

-35 T shape with stub

(c)

圖4.3 對稱開路段T型單極天線 (a)架構 (b)輻射場型比較 (c)反射損耗比較

4.2.3 2.45GHz印刷式切換波束天線

圖4.5為操作電路切換器的控制電路圖，在此我們利用二極體來當作電路切換器並且連接上下兩部分的寄生單元P1與P2，因此只需要兩條偏壓線A、B即可控制二極體產生短路或開路的功能，其中偏壓線A與上半部寄生單元P1連接；偏壓線B與下半部寄生單元P2連接，同時在偏壓線與寄生單元連接的地方必須加入一 22nH的電感來當作2.45 GHz的射頻阻擋器(RF chock)，這是因為當二極體操作在開路時；雖然使得T型單極天線無法在上下寄生單元上產生連續的感應電流而形成反射器，但與上部寄生單元連接的偏壓線A會讓感應出的電流產生另一條連續的路徑而形成反射器影響天線的輻射，因此我們必須在上部寄生單元與偏壓線A 間放置一個電感來當作2.45GHz的射頻阻擋器以阻擋感應電流在上部寄生單元與偏壓線A上感應出連續的電流路徑。

二極體 (電路切換器)

貫孔(via)

電感(射頻阻擋器)

偏壓線A 偏壓線B

圖4.5 操作電路切換器的控制電路圖

接下來我們將透過EM模擬軟體(HFSS)的分析討論各參數變化對天線反射損耗與輻射場型的影響，在利用EM模擬軟體設計天線的過程中，我們假定高頻阻擋器與電路切換器為理想的，所以可以先忽略阻擋器實際的影響，而當作電路切換器的二極體操作在短路時則用一條金屬線來取代二極體，當二極體偏壓低於操作電壓時，二極體開路就用一寬度為0.5mm的狹縫來取代二極體，這樣的假設有助

於我們在天線設計上更為簡單與快速。

左邊開路右邊短路)且固定P1+P2=25mm、θ= O^ο、P3=5.65mm及P4=16mm時；改變電路切換器在寄生單元上的位置；即改變切換器與天線地距離S1的反射損耗，我

return loss (dB)

-35

圖4.7為我們改變上半部寄生單元P2傾斜角度θ時對天線反射損耗與輻射場型，天線尺寸為P1=11.5mm、P2=13mm、P3=5.15mm P4=15.215mm時，我們使得θ 由O度變化到30度，隨著θ角度的增加，在2.45GHz反射損耗的匹配段會稍微往低頻移動但另一方面卻使得匹配段的頻寬變大、匹配變得更好。而在輻射場型部分，在不同的θ角度一樣有著波束切換的效果，不過仔細觀察後可以發現θ角度越大，波束向前輻射的增益也會跟著增加。所以與Y軸夾θ角的上部寄生單元P2 不僅使得操作在2.45GHz的切換波束天線多了一個匹配機制外，也增加了天線的操作頻寬與增強了天線向前輻射的能力。

接著圖4.8、圖4.9為放置在T型單極天線上方的寄生金屬線對天線影響的反射損耗與輻射場形，從圖中可以知道寄生金屬線的加入對天線幅射場的影響不大但卻可使得天線的匹配變好、頻寬便大。因此在T型單極天線上方加入一寄生金屬線的設計讓我們又多了一種可以有效控制天線匹配的機制。

frequency (GHz)

2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 3.0

return loss (dB)

-35

在文檔中應用於無線網路之印刷式三頻天線與切換波束天線之研究 (頁 64-78)