第四章 波束切換天線實作與量測
4.2 寄生天線開關之波束切換天線
當RF開關安裝在寄生天線上，需提供RF開關的偏壓與隔離線路，使用PIN 二極體及GaAs 開關兩種不同的RF開關，分別安裝在上述A組及B組天線的寄生 天線上，測量其反射損失及輻射場型，了解不同開關的切換控制功能及寄生天 線上的開關線路對天線特性的影響程度。
圖4-11說明使用SMP1321 PIN二極體線路在A組寄生天線上的佈置，在寄 生天線設定成全向性及一直角邊角反射器等情況下進行量測，圖4-12說明A組 天線使用PIN二極體的反射損失S
11
量測，圖4-13為A組天線使用PIN二極體的波 束輻射場型量測。為了解PIN二極體在閉路及開路的情況下對A組天線輻射場型 的影響，提供三種PIN二極體在寄生天線上的開關組合安排，第一種安排是寄 生天線的切換都使用PIN二極體，構成反射器的二邊寄生天線開關閉路，其餘 二邊開關開路；第二種安排是構成反射器的二邊寄生天線開關使用PIN二極體 閉路，其餘二邊直接斷路；第三種安排是構成反射器的二邊寄生天線開關直接 短路，其餘二邊使用PIN二極體開路。表4-3為A組天線使用PIN二極體在不同開 關組合的量測結果，觀察比較其結果，開關線路使寄生天線產生變異而影響天 線特性。尤其在第一種及第三種安排讓PIN二極體在開路的狀態時，其雜散阻 抗及隔離損失使寄生天線的切換點在2.4 GHz頻斷無法完全斷路，且直接佈置在 寄生天線上，造成對天線特性的劣化有明顯的影響。圖4-11 PIN二極體線路在A組寄生天線上的佈置
圖4-12 A組天線使用PIN二極體的反射損失量測
PIN1 SMP1321-079
12
L1 120nH
L1 120nH
Rx 82
PORT-1
SMP1321-079
1 2
L2 L1 nH
Rx nH
0 VCC_BAR
PORT-2
(a) 寄生天線上的 PIN 二極體線路佈置
(b) PIN 二極體切換線路
A Antenna Return Losses with PIN Diode Switches
Freq. GHz
2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 3.0
R e tu rn L o s s ( d B )
-20 -15 -10 -5 0 5
Omni, Switches All Off
Corner Reflector Switches On, Others off
(a) = 135
o
平面
(b) = 90
o
平面圖4-13 A組天線使用PIN二極體的波束輻射場型量測
Measured H-Plane Patterns for A Antenna Various Switch Configurations
-20 -15 -10 -5 0 5
Corner Reflector On, Others Off Corner Reflector On, Others Open Corner Reflector Short, Others Off
Measured V-Plane Patterns for A Antenna Various Switch Configurations
-20 -15 -10 -5 0 5
Corner Reflector On, Others Off
Corner Reflector On, Others Open
Corner Reflector Short, Others off
表4-3 A組天線使用PIN二極體在不同開關組合的量測結果 天線特性項目 Corner Reflector
On/Others off Corner Reflector
On/Others Open Corner Reflector Short/Others Off 反射損失 @2.4GHz(dB) -15.67 X X
10dB反射損失頻寬 8.3% X. X.
最大增益(dBi) 2.88 6.75 2.72
HPBW@H-plane 110º 83º 94º
前後比(dB) 2.7 10.5 6.9
圖4-14說明HWS 314 GaAs開關在B組寄生天線上的佈置，在寄生天線設定 成全向性及一直角邊角反射器等情況下進行量測。圖4-15說明B組天線使用 GaAs開關的反射損失量測結果，圖4-16為B組天線使用GaAs開關的波束輻射場 型的量測結果，同樣安排三種控制開關組合測試，表4-4為B組天線使用GaAs 開關在不同開關組合的的測試結果，觀察比較量測結果，同樣是GaAs開關線路 的雜散阻抗及隔離損失使寄生天線產生變異而影響天線特性，尤其在第一種及 第三種安排讓GaAs開關在開路的狀態，其雜散阻抗及隔離損失使寄生天線的切 換點無法完全斷路，對天線特性的劣化有明顯的影響。
圖4-14 GaAs開關在B組寄生天線上的佈置
寄生天線
HWS 314 GaAs RF Switch
圖4-15 B組天線使用GaAs開關的反射損失量測
(a) = 135
o
平面Freq. 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)
-30
Omni, Switches all off
Corner Reflector Switches On, Others Off
Measured V-Plane Patterns for B Antenna Various Switch Configurations
-25 -20 -15 -10 -5 0 5
Corner Reflector On, Others Off
Corner Reflector On, Others Open
Corner Reflector Short, Others Off
(b) = 90
o
平面圖4-16 B組天線使用GaAs開關的波束輻射場型量測
表4-4 B組天線使用GaAs開關在不同開關組合的量測結果 天線特性項目 Corner Reflector
Switches On/Others off
Corner Reflector Switches On/Others Open
Corner Reflector Short/Other Switches Off 反射損失 @2.4GHz(dB) -13.17 X X
10dB 反射損失頻寬 8.3% X X
最大增益(dBi) 3.02 6.70 2.68
HPBW@H-plane 174º 116º 115º
前後比(dB) 2.3 8.1 0.45
4.3 傳輸線開關之波束切換天線
以RF開關實際配置安裝在傳輸線開關連接線的中心點，圖4-17說明傳輸線
Measured H-Plane Patterns for B Antenna Various Switch Configurations
-20 -15 -10 -5 0 5
Corner Reflector On, Others Off
Corner Reflector On, Others Open
Corner Reflector Short, Others off
開關的佈置，RF開關使用MEDER CRF-05高頻磁簧開關，可操作到8 GHz及直 接使用直流5V控制磁簧線圈的開閉動作，線圈與磁簧接點具有高隔離阻抗，使 接點的雜散阻抗大為減少並簡化開關控制。傳輸線以兩條共面微帶線構成，組 裝時將近地面的微帶線短路銲接為地面，另一微帶線連接兩支寄生天線底部，
其中心點位置並延伸一接線連接磁簧開關的接點。此連接線延長了原有佈置的 傳輸線長度，在上述理想化傳輸線開關之線路上，實際安裝RF磁簧開關後的量 測結果，在開關開路情況下，具有全向輻射場型，顯示出1/2 λ傳輸線阻抗轉換 傾向的結果。測試在在一相鄰兩邊傳輸線開關On，形成反射面，另相鄰兩邊傳 輸線開關Off，使寄生天線無效的波束成形設定下，分別以28mm、36mm、44mm 數種不同傳輸線長度的情況下，進行反射損失與幅射場型量測，圖4-18說明不 同傳輸線長度的傳輸線開關天線反射損失量測，圖4-19為不同傳輸線長度的傳 輸線開關天線輻射場型量測。表4-5為不同傳輸線長度的傳輸線開關天線測試結 果。
圖4-17 傳輸線開關配置安裝
圖4-18 不同傳輸線長度的傳輸線開關天線反射損失量測
Return Loss for 28-36-44mm TL switch
G Hz
2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 3.0
RL dB
-25 -20 -15 -10 -5 0
28mm TL 36mm TL 44mm TL
RF Reed Switch
延伸線
圖4-19 不同傳輸線長度的傳輸線開關天線波束輻射場型量測
表4-5 不同傳輸線長度的傳輸線開關天線測試結果
傳輸線長度 RL @2.4G Hz(dB) 最大增益(dBi)
28mm -3.8 3.79
36mm -7.18 5.16
44mm -11.95 6.86
以測試結果，長度28mm、36mm傳輸線開關增益較小，但最大增益仰角 角度可調整，選擇最大增益的44mm長度傳輸線開關的波束切換天線進行量 測。圖4-20為傳輸線開關之波束切換天線的實作外觀，在寄生天線設定成switch all Off及switch all On的全向性及直角邊角反射器等情況下進行量測，圖4-21說 明傳輸線開關天線的反射損失量測，圖4-22說明傳輸線開關天線的全向性場型
Patterns for Various TL Length
-25 -20 -15 -10 -5 0 5 10
36mm TL
44mm TL
圖4-20 傳輸線開關之波束切換天線實作外觀
圖4-21 傳輸線開關天線的反射損失量測
.
Return Loss with Transmission Line Switch
Freq. G Hz
2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 3.0
R e tu rn L o s s ( d B )
-30 -25 -20 -15 -10 -5 0
all off all on
measured corner
圖4-22 傳輸線開關天線的全向性輻射場型量測
(a) = 45
o
、135o
平面Measured V-Plane Patterns for TL Switch
-30 -20 -10 0 10
Phi-45deg Plane Phi-135deg Plane
Omni-Patterns for TL Switch
-30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5
Phi-45 deg Plane-Switch all Off Phi-0 deg Plane-Switch all Off Phi-0 deg Plane-Switch all On
(b) = 90
o
平面圖4-23 傳輸線開關天線的波束輻射場型量測
表 4-6 傳輸線開關之波束切換天線的測試結果
天線特性項目 理想化傳輸線開關 實際傳輸線開關
全向性最大增益(dBi) 4.57 4.34
反射損失 @2.4GHz(dB) -13.1 -11.95
10dB 反射損失頻寬 11% 12.5%
最大增益(dBi) 8.08 6.88
HPBW@H-plane 85º 115 º
前後比(dB) 13.4 14.95
傳輸線阻抗轉換傾向 1/4波長傳輸線 1/2波長傳輸線
Measured H-Plane Patterns for TL Switch
-20 -15 -10 -5 0 5
H-Plane Pattern for Phi-45deg
H-Plane Pattern for Phi-135deg
第五章 結論
提出一種2.4G Hz操作頻段的新型波束切換天線設計，所需要的單極天線 及地面，均使用FR4線路板製作，單極天線由線路板微帶線組成。一主動饋入 天線在天線地面中心，線路板製作的寄生天線圍繞四邊，寄生天線直接由線路 板上的開關線路切換控制組成邊角反射器用於波束的形成及轉向。天線設計針 對不同設計參數進行模擬並歸納得出寄生天線開關之波束切換天線實作建議數 據，據以製作並進行量測。根據上述實作建議並提出一傳輸線開關，簡化波束 切換的控制方式，同樣的經模擬並歸納得出傳輸線開關之波束切換天線實作建 議數據。
依實作建議數據進行具有寄生天線開關及傳輸線開關等兩種天線製作，首 先天線的RF開關的開閉動作直接以斷路或短路替代，這些具有理想化開關的天 線量測結果，寄生天線開關天線得出最大增益 8.19dBi，傳輸線開關天線得出 最大增益 8.08dBi，與模擬相近的結果，驗證此天線設計架構可行性。
當實際以PIN二極體及GaAs開關製作寄生天線切換控制線路，得出天線最 大增益2.8 dBi的量測結果，RF開關線路的雜散寄生阻抗及隔離損失對天線產生 劣化的影響，尤其是開關在Off的狀態下。實際安裝RF磁簧開關做為傳輸線開 關切換控制開關，並測試實驗得出較佳的傳輸線長度44mm，傳輸線開關之波 束切換天線測試結果，得出全向性最大增益 4.34dBi，波束最大增益 6.88dBi，
大幅改善寄生天線開關的切換方式，傳輸線開關提供適當的寄生天線切換控 制，使此FR4 線路板簡化製作的波束切換天線更具實用化。
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