四、 PIN 二極體控制切換波束天線
4.2 印刷半波長偶極天線設計
4.2.3 彎折式半波長偶極天線
看完前面的介紹後，緊接著來看我們所設計的天線。基本上是利用前面所介紹的原 理來當作天線設計的基礎，透過簡化饋入端設計出彎折式半波長偶極天線，實現於印刷 電路板上，工作頻率在 2.45GHz，利用地平面當作反射元件。為了能夠縮小整體天線面 積，我們捨棄了高指向性而將導波元件拿掉，並將架構上的地平面做一些修改與改進。
為了方便在後面與我們的分波器做整合，我們同樣將天線設計在與分波器同一種基板上，
Rogers RT/Duroid 5880，厚度為 1.57mm，介電係數為 2.2。
天線的架構請參考圖 4-6，天線上的相關參數請參考表 4-1。此天線先從微帶線饋 入，連接到一對平行的帶線，設計在基板的兩面，最後再接到半波長偶極天線，這樣的 設計在前面提到可以簡化饋入端，不需要另外設計一個平衡轉換器而增加面積與設計複 雜度。其中，為了能夠再減小面積，我們將偶極天線放置距離地平面只有 5mm 處，在設 計中地平面是當作反射元件。一般八木天線的設計反射元件相當接近驅動元件，但在這 種簡化饋入端的設計中，若地平面與天線本身太靠近，會使地平面產生映像電流(image current)，距離越近映像電流就越大，此電流與天線電流反向，會互相抵消，進而影響
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到匹配與增益。在我們的設計中只取 5mm 的距離，其匹配部分的確受到了很大的影響，
這部分的影響我們將在後面利用別的方法來做改善，稍後再做介紹。
除了將天線與地平面之間的距離設計在只有 5mm 來縮小面積外，另外也在偶極天線 上以及地平面上做了一些修改。在偶極天線上，因為在設計反射元件時，其長度要比半 波長偶極天線還長才具有反射功能，而在 2.45GHz 的頻率下，其半波長約為 60mm 左右。
在我們所設計的切換波束天線中要在四個方位都放置天線，為了能夠容納四支天線，且 天線之間還需要一些距離做緩衝，因此當作反射元件的地平面就勢必要更大，整體面積 就相當可觀。若根據原本的設計，其整體面積需要 12.5 公分 x12.5 公分，這樣的面積 是相當大的，因此我們在偶極天線上做了一些修改，來縮減偶極天線所佔的長度，以期 能減小地平面的面積。我們所做的修改是將半波長偶極天線利用彎折的方法來縮短長度，
這邊的彎折是指像彎折線(meander line)一樣，但不同的是我們將天線彎折在基板的兩 側，並利用鉚釘將天線路徑連接起來。參考圖 4-6，電流在基板一側的天線上傳導，再 經過鉚釘將電流引到基板的另一側金屬線繼續傳導而激發天線，而另一側的金屬線則往 回彎以減小所佔面積。這樣設計的天線，電流依然有流經半波長的路徑，因此共振頻率 仍為 2.45GHz，且原本所佔長度為 60mm 的半波長天線，現在只需要 40mm 而已，比起原 本的天線縮短了許多，如此地平面也可以減小很多尺寸。
另一方面，在地平面上，我們在地的兩端角做了一些修改，沿著地的兩端角以 45 度往外延伸出兩金屬線，如圖 4-6。這樣的設計有很多好處，首先是剛剛前面提到當天 線距離地平面很近時，其匹配會變得很差，但我們可以從原本的設計得知，輸入阻抗在 實部為 50 歐姆時虛部並不接近零，而且呈現電感性，因此導致匹配不好；然而當在地 的兩端角做延伸金屬線時，因與天線之間有電容性的耦合，電感電容互相抵消，使虛部 在共振頻率時接近零，因此匹配就能大大改善。其次是這樣的設計可以讓共振頻率往低 頻飄，可以參考圖 4-7，加入地金屬線後，其共振頻率從原本的 2.69GHz 降低到了 2.45GHz 附近，這樣的改善等於是有效的縮小天線長度，其原因可能是因耦合效應導致。再來就 是增益的部分，在我們的切換波束天線應用中是希望天線場型向外輻射，就是往地平面 的另一邊輻射，且指向性越大越好；但在原本的設計中因只有地平面當作反射元件，且 拿掉了導波元件，因此指向性並不好，場型還是呈現甜甜圈型，主波束往天線的兩側輻 射，並非單一波束，這樣的設計是不夠好的。而透過我們所加的地金屬線，將能量沿著 地金屬線 V 型往地的另一邊輻射出去，將主波束趨向單一波束往外輻射，大大的改善了
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指向性。我們可以從模擬中看出這樣的改善，參考圖 4-8，雖然往外的主波束只提升約 0.5dB 的增益，從 3dB 到 3.5dB，但是其指向性卻有很大的改善，其前後比從原本-1.13dB 左右改善成 10.8dB 左右。由於最終我們的設計是要在四個方位都擺上天線，也就是每 個天線相差 90 度，若在地平面上將四個端角都做這樣的修改，往外延伸出地金屬線，
那麼增益將會再提升到 4.6dB，其改善是相當明顯的，而增益提升的原因也與地平面的 面積增加有所關連。最後一個好處就是在輸入的部分，在最終的設計中，我們可以將延 伸出去的地金屬線當作是微帶線饋入進來的地，如此便可直接利用微帶線來做饋入，而 不需要另外設計地或是設計其它饋入如探針饋入(probe fed)，使饋入端不至於太複雜，
大大簡化輸入電路。因此加入地金屬線不但可以使天線輻射場型更具指向性，也可使天 線的匹配更好、共振頻率更低、縮小天線面積，使其在設計上多了一種可以有效控制天 線的機制。
圖 4-6 彎折式半波長偶極天線架構(a)3-D 架構(b)基板上層(c)基板下層
基板上層 (mm) 基板下層 (mm) Via (mm) 對應圖表 L1 L2 L3 WT W1 LT L4 W2 radius height
圖 4-6 45 22.5 14.2 4.8 8 5 13.8 40 0.4 1.6 表 4-1 彎折式半波長偶極天線之相關參數
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2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 3
Frequency (GHz) -25
Magnitude (dB)
S-Parameter
S11 (with ground line ) S11 (without)
圖 4-7 有無地金屬線的散射參數圖比較
Pattern Gain(dB) without
With 2 ground lines With 4 ground lines
圖 4-8 有無地金屬線的天線場型比較
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我們所設計的彎折式半波長偶極天線大致介紹完畢後，我們來看看模擬與實作的部 分，此節中所使用的天線模擬軟體為 Ansoft 公司的 HFSS，實作量測則是以 HP8720 網路 分析儀來進行散射參數對頻率的數據量測，輻射場型則是以 HP 8530A 天線量測系統在 無反射實驗室內量測得到輻射場型與增益。圖 4-9 為實作天線圖，圖 4-10(a)為模擬與 量測的反射損失，從圖中可見實作與模擬相當一致，都共振在 2.45GHz 附近，其反射損 失也很好，都有-20dB 以下，表示匹配部分良好，且頻寬還不錯，由 2.31GHz 到 2.67GHz，
頻寬為 15%，包含我們所要設計的 ISM 頻段。圖 4-10(b)為量測天線的場型與增益的圖，
其量測與模擬相近，輻射場型向外輻射，前後比為 11.23dB，指向性還不錯，且交叉極 化相當小，表示所設計的天線線性極化很好；在增益的部分，我們量測到 2.5dB 的天線 增益，雖然與模擬 3.44dB 差了快 1dB，但實作部分本來就會有所誤差，也可能有能量在 鉚釘損耗，且天線增益跟量測實驗室環境、設備的校準與天線高度等有很大的關係，因 此這樣的誤差是可預期的，而 2.5dB 的天線增益在我們的設計中也是可以接受的。
(a) (b) 圖 4-9 天線實作圖(a)基板上層(b)基板下層
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2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 3
Frequency (GHz) -25
Magnitude (dB)
S-Parameter
S11 (measured) S11 (Simulated)
(a)
Pattern Gain (dB) Co_Pol (measured) Cross_Pol (measured)
(b)
圖 4-10 天線量測(a)散射參數圖(b)場型增益圖
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