第三章 耦合雙頻天線
3.1 天線環境介紹
在第二章中，已簡單的描述了在本論文中用來設計此雙頻天線的兩個基本 共振型態，因此在本節中將說明如何將此兩種不同型態的共振機制做結合，以 達到同時匹配而雙頻的目的。本論文中所使用的板材為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)：4.4 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：1mm
本論文中的雙頻天線是針對於符合WLAN 802.11 n頻段且應用MIMO技術 的USB無線網路卡來設計的，所以採用工業界常用較便宜的FR4雙面板。在以 下的設計皆設定FR4基板寬為19.5mm、長為29.5mm；為了提供讓兩支雙頻天 線有正交的極化方向來達到較好的隔離度，設計之天線所使用的L形空間分別 為13mm×5.5mm (0.104λ×0.044λ)、18mm×6.5mm (0.144λ×0.052λ) ，λ為2.4GHz 在真空中之波長，如圖3.1所示，上下兩面的地(Ground)利用導通孔(Via)連接。
為了方便說明論文中之天線的架構，在此我們設定13mm×5.5mm為天線1之使 用空間，而較長的18mm×6.5mm設定為天線2之使用空間，饋入天線1之饋入點 為埠1，饋入天線2之饋入點為埠2。
Via
FR4 1mm
單位 : mm
圖3.1 天線設定環境之架構圖
3.2 倒 L 形天線
由第二章可知倒Ｌ形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，因此在本論文中的雙頻天線，利用倒 Ｌ形天線使其操作在較高的頻段5GHz。在設定的環境下，由於天線的高度被 限制在5.5mm以及6.5mm之內，為了達到5GHz的共振頻率，可以在天線高度較 矮的情況下達到的所需共振頻率，所設計的中心頻率約為5.5GHz，(3.1)為天線 預估之長度範圍，天線的總長度（L1+L2）約操作頻率的四分之一波長，
架構如下圖3.2所示：
1 2 4
r L L
4
, λ為5.5GHz在空氣中的波長 (3.1)Feed Via
GND USB connector
L1 L2
圖3.2 5.5GHz 倒 L 形天線架構圖
圖3.3為圖3.2倒L形天線的S參數(S-parameters)利用EM軟體(HFSS)的模擬 圖，可看出其涵蓋的頻寬有1GHz，且涵蓋的頻段包含802.11n的5GHz頻 段，符合我們一開始設計的要求。
Frequency (GHz)
2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5
S - parameters (dB)
-30 -25 -20 -15 -10 -5 0
Simulated S22
圖3.3 5GHz倒L形天線之模擬S參數
3.3 耦合雙頻天線
利用倒L 形天線提供 5GHz 共振，搭配從地長出的約四分之一波長諧振器 提供 2.4 GHz 共振，加上此寄生元件(parasitic element)在適當的耦合方式下 可以達到雙頻的效果，架構如下圖所示：
<Top View> Feed <Bottom View>
USB connector
Via
GND
圖 3.4 倒 L 形耦合雙頻天線架構圖
圖3.5為圖3.4倒L形耦合天線的S參數利用EM軟體(HFSS)的模擬圖，涵蓋的 頻段包含802.11n的2.4 GHz以及5 GHz頻段，符合我們一開始設計的要求。
Frequency (GHz)
2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5
S - parameters (dB)
-30 -25 -20 -15 -10 -5 0
Simulated S22
圖 3.5 倒 L 形耦合雙頻天線之模擬 S 參數
為了進一步瞭解天線架構的變化對S 參數的影響，因此圖 3.6 為改變倒 L 形天線參數 L0 之參數探討架構圖，利用上下移動圖中黑色部份，倒Ｌ形 天線與寄生元件長度都維持不變。
圖3.6 變數 L0 之參數探討架構圖
圖3.7 為變數 L0 參數探討之模擬 S 參數，倒Ｌ形天線與寄生元件之耦合 量隨著L0 的長度變化而有所改變，因此天線為了達到雙頻，控制適當的耦合 量是必要的。
S22
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)
-35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0
L0=0.0mm L0=1.0mm L0=2.0mm L0=3.0mm
圖3.7 變數 L0 參數探討之模擬 S 參數
圖3.8 為改變寄生元件長度參數 L1 之參數探討架構圖，保持倒 L 形天線 與寄生元件之間的耦合量，利用上下移動圖中黑色部份，粗虛線部份則隨著黑 色部份的上下移動而增長或縮短長度。
圖3.8 變數 L1 之參數探討架構圖
圖3.9 為變數 L1 參數探討之模擬 S 參數，L1 愈長代表寄生元件由地至開 路端之總長度愈長，由圖可知2.5 GHz 低頻之共振頻率隨著 L1 變短而往較高 的頻率移動，而倒L 形天線長度不變，因此 4.7 GHz 之高頻共振頻率不變，至 於更高頻之 6.2 GHz 共振則是 2.5 GHz 之三倍頻共振，因此會隨著 L1 變短 而往較高頻率移動。
S22
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)
-35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0
L1=5.2mm L1=4.2mm L1=3.2mm L1=2.2mm
圖3.9 變數 L1 參數探討之模擬 S 參數
圖3.10 為改變倒 L 形天線參數 L2 之參數探討架構圖，保持到 L 形天線與 寄 生 元 件 之 間 的 耦 合 量 ， 利 用 上 下 移 動 圖 中 黑 色 部 份 ， 粗 虛 線 部 份 則 隨著黑色部份的上下移動而增長或縮短長度。
L2
圖3.10 變數 L2 之參數探討架構圖
圖3.11 為變數 L2 參數探討之模擬 S 參數，L2 愈長代表倒 L 形天線由饋 入端至開路端之總長度愈長，由圖可知5GHz 高頻之共振頻率隨著 L2 變長而 往較低的頻率移動，而寄生元件長度不變，因此 2.45 GHz 之低頻共振頻 率影響不大。
S22
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)
-35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0
L2=6.375mm L2=5.375mm L2=4.375mm L2=3.375mm
圖3.11 變數 L2 參數探討之模擬 S 參數