1.1 研究背景及動機
隨著無線行動通訊技術及產品快速發展，大量的無線通訊裝置產品帶給人 們生活上極大的便利，現今無線通訊網路技術仍不斷的發展進步，新通訊標準 持續發展定義。目前眾多應用的通訊標準中，IEEE 802.11a/b/g/n無線通訊標準 廣泛被應用在無線網路連結。802.11a 操作頻帶從5.14 GHz ~ 5.875 GHz，而 802.11b/g/n標準使用2.4GHz頻帶，802.11b/g/n此類無線通訊產品將會遭受來自 如微波爐、無線電話、藍芽裝置等產品的無線干擾；另外因週遭環境障礙物造 成多重路徑傳播衰減仍是無線通訊技術的挑戰。許多解決技術方案已被提出並 持續的發展中，而智慧型天線是其中具潛力的可能解決方案之ㄧ。
智慧型天線為天線陣列組成，具有智慧化訊號處理法則用於辨認空間訊號 特 性 如 天 線 入 射 訊 號 的 到 達 方 向(Direction of arrival)， 用 於 計 算 波 束 成 形 (Beam-forming)向量，並追蹤找出對準移動目標的天線波束[1]-[2]。其利用空間 分隔多工的概念將天線幅射場型形成一特定的波束，應用空間分集的特性來區 分與合成不同方位的使用者與路徑訊號，可應用在大多數的無線通訊系統，如
W-CDMA及UMTS等行動通訊系統，因此智慧型天線設計主要技術有訊號到達
方向估算及波束成形技術。
智慧型天線利用如MUSIC、ESPRIT等法則技術估算訊號到達方向，這些法 則被用來找到天線的空間頻譜，並從這些頻譜中的最大值計算出到達方向，當 找出被追蹤裝置的訊號到達方向後，波束成形技術才被用來增加系統性能[3]。
波束幅射場型及方向隨著訊號環境的變化而改變使用，可以克服因多重路徑傳 播衰減及共同通道的干擾問題，提高頻率重用率增加系統容量，同時所增加的 場型增益能提高通訊距離及減少發射功率，降低行動裝置電源需求，使通訊資 源不再侷限於時間域(TDMA)、頻率域(FDMA)或碼域(CDMA)，而擴展到空間 域的空分多址(SDMA)技術。波束成形技術依對策的選擇概分成切換式波束天 線及適應式陣列天線兩種類型，切換式波束天線具有多個固定在特定方向的強 化波束，由天線陣列的一組固定加權比重及相位位移的訊號組合所形成，週期 性的切換固定式波束場型來掃描整個場域，對想要的行動目標訊號，切換到對 應的波束場型加以匹配。相對的，適應式陣列天線依即時接收及分析訊號源方
向位置來改變對應的波束場型，改善其他方向雜訊的排除以獲得最佳的訊號雜 訊比。明顯的，適應式陣列天線在解決無線通訊環境中的多重路徑傳播衰減及 共同通道的干擾問題是一較好的設計考量[2]，但需較複雜的設計技術。
為了有效利用有限的頻譜資源，許多的天線場型組態設計被提出來[4] -[19]，用來提供波束成形組態及高方向增益以減少多重路徑干擾及加強訊號電 力效能，其中很多是由八木天線(Yagi-Uda antenna)演變而來[4]-[17]。八木天線 以主動饋入雙極天線元件為中心並輔以寄生雙極天線元件所組成，寄生元件比 主動饋入元件短具有導引天線波束功能；寄生元件比主動饋入元件長具有反射 天線波束功能。在主動饋入元件周邊安排長短不同的導向及反射寄生元件，即 可得到不同的天線場型。在[5]- [16]中，使用單極天線替代雙極天線，在天線地 面上的單極元件安排仍保持八木天線基本特性，但圍繞在主動饋入元件的寄生 元件可連接上負載變化，負載狀態可以是短路或斷路或阻抗值。這些負載變化 可以改變寄生元件的等效長度，這些單極元件之間的電磁相互感應產生場型波 束成形。圖1-1所示四個單極天線組成，均可切換為天線饋入或寄生元件，切換 饋入元件位置並將其他設定為反射寄生元件形成四個方向波束場型切換[6]。圖 1-2所示單極寄生元件以主動饋入元件為圓形中心圍繞，同樣變化單極寄生元件 的負載，改變在寄生元件的感應電流分佈，就能切換不同的波束場型[15]，每 一寄生元件具有短路接地、斷路、負載三個切換狀態，產生不同的電流分佈變 化用於場型切換，上述天線案例中寄生元件使用圓柱桿單極天線。
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圖1-1 切換饋入位置形成的場型組態天線
圖1-2 寄生元件以饋入天線為中心圓形圍繞的場型組態天線
本論文提出以單極天線陣列實現波束成形及轉向控制的新型波束 切換天 線，應用於無線網路。此天線操作在2.4 GHz波段，由印刷微帶線製成的單極天 線及一四方形天線地面，均使用FR4線路板製作而成以簡化天線組成及控制方 式 [13]。一主動饋入天線在地面中心，四片具有寄生天線的線路板圍繞四周，
寄生天線直接由佈置其上的開關線路切換控制，組成直角邊角反射器用於波束 成形及90度轉向。此天線模擬進行包括天線地面大小、寄生天線數量、寄生天 線間距、寄生天線與地面中心距離、寄生天線長度及不同反射器形式等設計參 數，得出寄生天線開關實作建議做為天線製作依據。為了減少天線RF開關數量 及簡化邊角反射器波束切換的方式，參考上述實作建議提出一傳輸線開關切換 控制寄生天線，得出雷同的天線特性模擬。
依模擬結果所得出的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，寄生天線開關製作每邊線路板具有3支及2支寄生天線的兩種 形式，用於確認每邊具2支寄生天線的實作建議數據。首先天線的RF開關的開 閉動作直接以斷路或短路替代，對這些具有理想化開關的天線進行量測與模擬 結果比對，驗證波束切換天線結構及實作建議數據的可用性。當實際以PIN二 極體及GaAs開關等不同RF開關做為寄生天線開關，實證RF開關線路的切換控 制功能及其雜散寄生阻抗及隔離損失對此種天線性能的影響。然後實際應用RF 磁簧開關在傳輸線開關的切換，進行量測証明傳輸線開關控制方式的實用性。
1.2 章節內容介紹
本論文共分五個章節。第一章為導論，說明本論文的相關背景、動機及研 究重點摘要。第二章單極天線及邊角反射器天線原理，針對本論文波束切換天 線所用到的偶極/單極天線、邊角反射器天線相關概念原理加以描述。第三章波 束切換天線設計，說明波束切換天線的組成架構及進行不同的天線設計參數模 擬比較，歸納提出一組實作建議數據做為天線製作依據，並根據此實作建議提 出一傳輸線開關，簡化波束切換的控制方式。第四章波束切天線實作與量測，
進行理想化開關、寄生天線開關與傳輸線開關的天線實作及測量，說明本天線 設計架構的可 用性及 實證RF開關在不同寄生天線切換方式對天線性能的影 響。第五章結論，說明本論文的研究結果及心得。