多輸入多輸出雙頻耦合天線之設計

在第三章中，已經簡單的描述了說明雙頻天線的架構，然而 MIMO 技術 是使用兩支天線來達成的，而兩支天線又是同時使用2.4 GHz 以及 5 GHz 雙頻 帶，高頻和低頻的隔離度都必須作特別設計，而隔離度對於天線擺放的方式有 相當程度的影響，因此以下先對此作討論而然後做直接的設計。

4.1.1 天線擺放方式對隔離度之探討

首先針對耦合天線開路端對開路端的這個例子來作討論，在設定的環境下 設計兩支耦合雙頻天線，將兩支耦合天線之倒L 形天線部份與寄生元件之開路 端都互相靠近，探討高低頻隔離度對兩天線之間之電容性耦合造成的影 響，如圖4.1 所示：

Port2 Port1

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USB connector

Via

GND

圖4.1 討論天線電容性耦合之架構圖

圖4.2 為圖 4.1 兩支耦合天線的 S 參數利用 EM 軟體(HFSS)的模擬圖，低 頻隔離度為2.47dB 高頻隔離度為 3.15dB，由此可得在耦合雙頻天線在開路端 對在一起時，高頻與低頻之隔離度相當不好，原因是由於天線開路端部份為天 線上之電場強度最強的地方，若將兩支天線開路端都兩兩對在一起，會造成強 烈的電容性耦合，能量會在兩個天線之間耦合傳遞，造成兩天線之間之隔離度 惡化。因此在設計多輸入多輸出天線時，為了達到較好得隔離度，就必須避免 圖 4.1 中兩天線發生強烈電容耦合之情況，所以後面的天線設計會依照此 討論來當成設計的基本原則。

Frequency (GHz)

2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0

S - parameters (dB)

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

S11 S21 S22

圖4.2 討論天線電容性耦合之S 參數模擬圖

為了產生2.4 GHz 低頻頻帶，因此使用的四分之一波長諧振器(由地上長出 之寄生元件)，但在本篇論文中所設定的空間十分有限，而寄生元件所佔的空 間較大，所以特別針對2.4 GHz 頻帶的隔離度對電感性耦合來討論。由於低頻 時主要是由地上長出之四分之一波長諧振器所共振來提供輻射，由於低頻 2.4 GHz 時寄生元件上之電流隨著時間呈現四分之一波長的駐波共振形式，電流靠 近地的地方電流很強，電流靠近開路端的地方電流很弱，因此諧振器愈接近地 之電流愈大，將電流大的部位靠近就會引發強烈的電感性耦合，造成兩操作在 低頻之寄生元件有很強的耦合，能量很容易傳遞到另外一支天線上，造成兩天 線之間的隔離度會不良。

Port2 Port1

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USB connector

Via

GND

圖4.3 討論天線低頻電感性耦合之架構圖

圖4.4 為圖 4.3 兩支耦合天線的 S 參數利用 EM 軟體(HFSS)的模擬圖，低 頻隔離度為3.9dB，隔離度之模擬結果也是不良。

Frequency (GHz)

2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7

S - parameters (dB)

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

S11 S21 S22

圖4.4 討論天線電感性耦合之 S 參數模擬圖

4.1.2 多輸入多輸出雙頻耦合天線

根據天線擺方式對隔離度的結果，兩支天線之較強的電容性耦合與電感性 耦合都對隔離度有相當不好的影響，尤其以電容性耦合造成的影響較大。而在 有限的空間中要達到較好的隔離度，勢必要盡量避免這兩種情形，才能確保隔 離度不會太差。因此圖4.5 為直接設計之天線架構，首先將兩個埠的位置擺放

距離較遠，目的是希望地上的電流對隔離度之影響可以降到最低，而將兩天線 的寄生元件之開路端距離拉遠是為了避免較強的電容性耦合，對於寄生元件從 地上長出之位置則儘量遠離以避免較強的電感性耦合，在靠近地之 L 形與 U 形灰色細線則是為了調整高頻之阻抗匹配以達到無線網路802.11 n 所需頻寬。

Port2

Port1

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USB connector

Via

GND

圖4.5 直接設計之天線架構

圖4.6 為圖 4.5 MIMO 雙頻天線的 S 參數利用 EM 軟體(HFSS)的模擬圖，

低頻隔離度為4.87dB 而高頻隔離度為 5.35dB。

Frequency (GHz)

2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0

S-parameters (dB)

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

S11 S21 S22

圖4.6 直接設計天線之 S 參數模擬圖

圖4.7 為此天線實做量測之 S 參數，實做之頻寬低頻有 125 MHz、高頻有 1 GHz 以上，隔離度低頻為 4.7dB、高頻為 5.5dB，模擬結果與實做量測結果相 符，也符合當初設計要求，頻寬與隔離度如表4.1 所示：

Frequency (GHz)

2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0

S - parameters (dB)

-30

共振頻率（GHz） 2.430～2.555 4.002～6.000 天線1

頻寬（MHz） 125 1998

共振頻率（GHz） 2.395～2.587 4.520～5.750 天線2

頻寬（MHz） 192 1230

Isolation（dB） 4.7 5.5