0.2 0.4 0.6 0.8 1 30
210
60
240
90
270 120
300 150
330
180 0
Half wave dipole fed from end to end Half wave dipole fed from center
圖3-15 兩端饋入與中間饋入的半波長偶極天線E-平面輻射場型
3. 3 模擬與量測結果分析
本章所設計之兩端饋入式多頻帶印刷偶極天線利用電磁模擬分析軟體 HFSS 來進行 模擬。圖3-16 為天線實作之照相圖，圖中的拾圓硬幣用來示意天線的尺寸大小。圖 3-17 為 2~6GHz 模擬與量測的天線反射損耗圖，由圖中可以看出模擬與量測的曲線十分接 近，代表模擬具有很高的準確性，各共振頻率與對應之反射損耗值整理於表 3-2。其中 定義反射損耗在-10dB 以下的頻率範圍為操作頻寬。從反射損耗的量測結果，可以將天 線分為兩個操作頻帶，低頻帶的操作頻寬約為1.4GHz，高頻帶的操作頻寬約為 620MHz。
以低頻帶的中心頻率3.1GHz 來計算，低頻帶的頻寬約 45%，對偶極天線來說，可 謂相當寬頻。造成低頻帶寬頻特性的主要因素有二：其一，利用環形分合波器饋入斜向 之平衡與非平衡電流，可以產生額外的共振頻率點，如圖3-16，除了原本設計在環形分 合波器中心頻率2.45GHz 的共振頻率外，在 3GHz 與 3.6GHz 分別還出現了兩個共振頻 率點，主要是由斜向之非平衡電流合成不同長度的等效電流輻射路徑所提供。其次，由 於環形分合激器的輸入端埠具有超過80 %的 10dB 反射損耗頻寬，如圖 3-9，在 2~4GHz 的頻率範圍內都有良好的阻抗匹配，因此有利於接上兩偶極臂之後的阻抗匹配，而量測 結果天線的操作頻寬亦在此頻率範圍內。另外圖3-17 中，天線在高頻帶 5GHz 附近還有 一個共振頻率，其頻寬也有約12%。此共振頻率主要是由環形分合波器在兩倍中心頻率 輸出的一對振幅、相位皆相同的電流訊號所產生。由 3.2.3 節中的分析知道此時兩偶極 臂上的斜向電流可以等效成一對垂直方向的平行電流，如圖 3-11 所示，等效的電流長
34
度由一組垂直分量就即可提供，因此有效輻射長度約為天線總長的一半，造成其共振頻 率約為低頻之共振頻的兩倍。
圖3-16 兩端饋入式新型多頻帶印刷偶極天線之實作照相圖
2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6
-35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0
Frequency [GHz]
Return Loss [dB]
Simulated Measured
圖3-17 兩端饋入式新型多頻帶印刷偶極天線之反射損耗模擬與量測圖
本章所提出的兩端饋入式新型多頻帶印刷偶極天線設計，能夠函蓋多個頻段範圍，
可以適用在各種通訊系統中，像是無線區域網路WLANs 2.4GHz(2.4-2.484GHz)、WLANs 5.2GHz(5.15-5.35GHz)，微波標籤識別系統之 ISM 頻段(2.4-2.4835GHz)，以及都會區域 網路之微波存取全球互通WiMAX 2.6GHz(2.5-2.7GHz)、WiMAX 3.5GHz(3.4-3.7GHz)等
50Ω晶片電阻
35
頻段。
圖 3-19 為天線操作在各共振頻率的三維增益輻射場型模擬圖，圖 3-18 為兩偶極臂 上在各共振頻率在半個時間週期內所對應的電流分佈模擬圖，由於模擬電流在一個週期 內是連續分佈的動畫，本論文以紙本的方式無法完整呈現，圖中僅節錄關鍵的三個圖作 代表。由3-18、3-19 兩圖中可以發現，在不同的共振頻率，天線的輻射場型會隨著電流 分佈的不同而有很大的差異性。如圖 3-18(a)，在 2.45GHz 時，兩偶極臂上激發的一對 斜向電流強度相同，相位差180 度，且每隔半週期會同時轉向，這與 3.2.3 節中所探討 的第一個例子十分相似，如圖 3-10 所示，主要的差異在於饋入點位置的不同，不過並 不會影響最後分析的結果。此時天線的輻射場型如圖3-19(a)所示，是一圍繞 y 軸的甜甜 圈場型，代表輻射效應主要是由延著y 軸的水平電流分量所貢獻，極化方向則是延著 xz 平面，增益約為 3.38dBi。從電流與場型的模擬結果，可以驗証之前所提出的電流向量 分析方法。然而，值得注意的是，由於偶極天線外圍鄰近接地面，會在接地面邊緣感應 反向的映像電流，進而抵消了天線共平面兩端的輻射效應，但不會影響垂直面的輻射效 應，造成最後的場型變成楕圓的甜甜圈形狀，同時使得天線在垂直面的方向指向性增加。
接著，先觀察圖3-18(d)，當天線操作在高頻共振頻時，兩偶極臂上的激發電流強度 與相位皆相同，且每隔半週期會同時轉向，與 3.2.3 節中所探討的第二個例子相同，如 圖 3-11 所示。對照圖 3-19(d)的模擬輻射場型，可以發現此時的輻射效應主要由延著 x 軸的垂直電流分量所貢獻，極化方向則是延著 yz 平面。不過由之前的討論知道水平分 量的電流無法完全抵消，合成的輻射場型會受到延著y 軸之電流分量產生的輻射效應干 擾，造成甜甜圈場型的水平兩邊被削弱，變成指向正負z 軸方向的指向性場型。然而，
天線的增益模擬值卻僅為 1.1dBi，造成增益不高的主要因素可以從 3.2.2 節中三埠環形 分合波器的模擬分析中窺見，圖 3-8 中環形分合波器在 4.9GHz 附近時兩輸出端埠的透 射係數約-6~-7dB，代表此時輸入功率傳到各輸出端埠時僅剩不到四分之一，且由圖 3-9 中可以看出在該頻率時輸入端埠的反射損耗僅-6dB，代表有一部分的訊號在輸入端埠就 已經被反射了。輸出功率的損耗與阻抗不匹配使得最後真正傳送到天線的有效輻射功率 過低，以致於無法提供較佳的輻射效應。針對這個問題，下一章中將設法改良天線設計，
提出有效克服此缺陷的方法。
當天線操作在高低共振頻中間的共振頻率時，兩偶極臂上的激發電流具有不同的相 位振幅。首先觀察圖 3-18(c)，在 3.66GHz 時，右邊偶極臂上的電流強度較強，可以由 圖3-8 中該頻率環形分合波器兩輸出端埠具有不同大小的穿透係數來說明，而相位則是 落後於左邊偶極臂上的電流，因此左邊的電流會先發生轉向，如3-18(c)第二個圖所示，
詳細的變化過程如圖3-12，與 3.2.3 節中所探討的第三個例子相同。繼續觀察圖 3-19(c) 的模擬輻射場型，由場型的結構會發現此時主要的輻射效應是由延著與x 軸夾一小角度 方向之電流分量主導，可以從電流分佈的情形來解釋。圖3-18(c)中電流的主要模態是延 著x 軸方向的兩平行電流分量，由於兩偶極臂上的電流不會同時轉向，當僅有一邊轉向
36
時會出現短暫由y 軸電流分量主導的模態，又因為右邊偶極臂上電流在整體輻射效應上 具有較強勢的地位，造成最終的場型會偏向由與x 軸夾一小於 90 度之正角度的斜向電 流分量來主導，由模擬可以找出此角度約為 17 度，而天線的主極化方向則是與此電流 方向垂直的平面，同樣受到環形分合波器輸出功率的損耗的影響，增益僅約為1.63dBi。
最後，當天線操作在3.2GHz 時，電流分佈如圖 3-18(b)，右邊偶極臂上的電流強度 明顯較強，相位則稍微領先右邊偶極臂上的電流，因此會先發生轉向，而主要的合成電 流模態是延著 y 軸方向的電流分量，分析方法與 3.66GHz 時相同，對照圖 3-19(b)的模 擬輻射場型，與3-19(a)的場型相似，y 軸的電流分量主導了輻射效應，不過由於右邊偶 極臂上的電流強度較強，延著x 軸的兩平行反向電流分量無法完全抵消，加上電流非同 時轉向，使得延著x 軸的電流分量仍會產生輻射效應，影響了由 y 軸主導的場型分佈，
造成甜甜圈場型在正x 軸方向被削弱。由模擬可以找出主極化方向為延著與 x 軸夾-6 度 方向的平面，增益約為3dBi。
(a) 2.45GHz
(b) 3.2GHz
(c) 3.66GHz
37
(d) 4.9GHz
圖3-18 兩偶極臂上在各共振頻率單位週期內節錄的電流分佈模擬圖
(a) 2.45GHz (b) 3.2GHz
(c) 3.66GHz (d) 4.94GHz
圖3-19 兩端饋入式多頻帶印刷偶極天線各共振頻率之三維增益輻射場型模擬圖
圖 3-20 為天線量測之二維遠場輻射場型，在反射損耗量測圖中的四個共振頻率分 別量測E-平面與 H-平面的增益場型，由圖中可以看到 E-平面場型都是呈現 8 字形，H-平面場型則是偏向楕圓形狀，各頻率的量測增益值如表 3-2。值得留意的是，當一對非 正交的激發電流具有不同的相位振幅，且彼此相位差非零度或180 度時，在輻射效應上
38
會產生楕圓極化。嚴格來說，本章所設計之兩端饋入式偶極天線在中間兩共振頻操作時 即為楕圓極化，不過由於兩偶極臂夾角為120 度，輻射場隨時間變化的軌跡會形成非常 扁長的楕圓形狀，使得延著楕圓長軸方向也就是主極化方向的輻射場強度會遠大於短軸 方向。由模擬與量測的結果，在主極化方向的平面上共極化(co-polarization)與交叉極化 (cross-polarization)增益差大於 10dB，可以將楕圓極化視為延著長軸方向的線性極化。
-20 -15 -10 -5 0 5 45
-135
90
-90 135
-45
180 0
H-plane
Co-
Cross--20 -15 -10 -5 0 5 45
-135
90
-90 135
-45
180 0
(a) 2.5GHz
39
E-plane
Co-
Cross--20 -15 -10 -5 0 5 45
-135
90
-90 135
-45
180 0
H-plane
Co-
Cross--20 -15 -10 -5 0 5 45
-135
90
-90 135
-45
180 0
(b) 3GHz
40
E-plane
Co-
Cross--20 -15 -10 -5 0 45
-135
90
-90 135
-45
180 0
H-plane
Co-
Cross--20 -15 -10 -5 0 45
-135
90
-90 135
-45
180 0
(b) 3.64GHz
41
E-plane
Co-
Cross--20 -15 -10 -5 0 5 45
-135
90
-90 135
-45
180 0
H-plane
Co-
Cross--20 -15 -10 -5 0 45
-135
90
-90 135
-45
180 0
(c) 5GHz
圖3-20 兩端饋入式多頻帶印刷偶極天線各共振頻率之二維增益輻射場型量測圖
42
表3-2 兩端饋入式多頻帶印刷偶極天線各共振頻率之天線參數量測值 模擬共振頻率
(GHz)
量測共振頻率 (GHz)
量測共振頻率 S11 (dB)
量測共振頻率 Gain (dBi)
主極化方向 (
φ
) 2.45 2.5 -16.97 0.54 0°3.2 3 -29.19 3.34 -6°
3.66 3.64 -19.39 -0.12 -73°
4.94 5 -31.38 1.11 90°