模擬與量測結果

在本節會介紹三支 MIMO 天線，並比較三支天線的優缺點。

3.3.1 第一支 MIMO 天線

圖 3.1 的結果可知，當天線置於左邊時我們只要在地線上方加一段金屬即可 使場型偏向左邊，利用這個特性，我們將可以降低天線間的耦合量(Coupling)。

圖 3.2

為我們設計的第一支 MIMO 天線架構圖，首先我們放了三支單頻天線於電

路板的最上方，為了使左邊天線輻射場型偏向左方，涵蓋 MIMO 天線的左半平面，

而右邊天線輻射場型偏向右方，涵蓋 MIMO 天線的右半平面，我們在兩天線地線 的上方皆加了金屬線，而中間天線輻射場型則依舊為接近全向性。

12 12 12

13 15 45

60

6.2

8.4

1 2 3

top bottom

Unit：mm

圖 3.2 第一支 MIMO 天線架構圖

接著我們將討論加地線金屬長短對天線場型的影響，為了對稱性所以左右兩 邊天線所加的金屬長短將一起變動，圖 3.3為天線埠 1(port 1)在 4 個不同地線 金屬長度（d）對XY平面輻射場型的影響，我們希望埠 1(port 1)天線在XY平面 可以含蓋 90^°~270^°(MIMO天線的左半平面)，當d=8mm時天線的輻射場型已有明顯 的偏向左半平面，最後我們選擇了d=12mm，是因為其輻射場型比d=8mm在左半平 面涵蓋了更多的角度。

Gain Total Gain Phi Gain Theta Gain Total Gain Phi Gain Theta

d d

-35-30-25-20-15-10-5 0 5 -35

120

150

180

210 240

270 300 330

d=0

-35-30-25-20-15-10-5 0 5 -35

120

150

180

210 240

270 300 330

d=4

-35-30-25-20-15-10-5 0 5 -35

120

150

180

210 240

270 300 330

-35-30-25-20-15-10-5 0 5 -35

120

150

180

210 240

270 300 330

d=0

-35-30-25-20-15-10-5 0 5 -35

120

150

180

210 240

270 300 330

-35-30-25-20-15-10-5 0 5 -35

120

150

180

210 240

270 300 330

d=4

120

150

180

210 240

270 300 330

d=12

-35-30-25-20-15-10-5 0 5 -35

120

150

180

210 240

270 300 330

d=8

120

150

180

210 240

270 300 330

-35-30-25-20-15-10-5 0 5

120

150

180

210 240

270 300 330

d=12

-35-30-25-20-15-10-5 0 5 -35

120

150

180

210 240

270 300 330

-35-30-25-20-15-10-5 0 5 -35

120

150

180

210 240

270 300 330

d=8

圖 3.3 埠 1(port 1)在不同地線長度的 XY 平面模擬場型

圖 3.4

為第一支 MIMO 天線模擬的反射損耗，

圖 3.5

為模擬天線埠 1(port 1) 輻射場型，

圖 3.6

為模擬天線埠 2(port 2)輻射場型，

圖 3.7

為模擬天線埠 3(port 3)輻射場型，由圖中可以得知，此天線可用頻寬為 2.38GHz~2.5GHz，埠 1(port 1) 天線的輻射場型在 XY 平面最大增益為 2.5dBi，XZ 平面最大增益為-0.3dBi，YZ 平面最大增益為 1.7dBi，埠 2(port 2)天線的輻射場型在 XY 平面最大增益為 0.6dBi，XZ 平面最大增益為 0.4dBi，YZ 平面最大增益為 1.8dBi，埠 3(port 3) 天線的輻射場型在 XY 平面最大增益為 2.5dBi，XZ 平面最大增益為-0.1dBi，YZ 平面最大增益為 1.9dBi，

第一支MIMO天線的缺點有三個：第一個缺點為天線尺寸比較大，第二個缺點 為埠 2 到埠 3 的耦合量很大並沒有小於-10dB，第三個缺點為埠 1(port 1)與埠 3(port 3)在XY平面的輻射場型雖然已經有偏向一邊，但其涵蓋的範圍並沒有很 大，以埠 1(port 1)為例，理想的XY平面場型涵蓋範圍應為 90^°～270^°，但埠 1(port 1)在 90^°～150^°增益大約只有-10dBi，所以在 90^°～150^°可能會接收不到訊號。

2 2.2 2.4 2.6 2.8 3

Frequency (GHz) 40

30 20 10 0

S[3,2]

S[1,1]

S[2,2]

S[3,3]

S[1,2]

Return Loss

圖 3.4 第一支 MIMO 天線反射損耗模擬圖

Gain Total Gain Phi Gain Theta

XY

-35-30-25-20-15-10-5 0 5 -35

120

150

180

210

240 270 300 330

-35-30-25-20-15-10-5 0 5 -35

120

150

180

210

240 270 300 330

-35-30-25-20-15-10-5 0 5 -35

120

150

180

210

240 270 300 330

-35-30-25-20-15-10-5 0 5 -35

120

150

180

210

240 270 300 330

-35-30-25-20-15-10-5 0 5 -35

120

150

180

210

240 270 300 330

-35-30-25-20-15-10-5 0 5 -35

120

150

180

210

240 270 300 330

圖 3.5 埠 1(port 1)天線在 2.45GHz 輻射場型模擬圖(a )XY 平面 (b) XZ 平面 (c) YZ 平面

Gain Total Gain Phi Gain Theta

XY

-35-30-25-20-15-10-5 0 5 -35

120

150

180

210

240 270 300 330

-35-30-25-20-15-10-5 0 5 -35

120

150

180

210

240 270 300 330

-35-30-25-20-15-10-5 0 5 -35

120

150

180

210

240 270 300 330

-35-30-25-20-15-10-5 0 5 -35

120

150

180

210

240 270 300 330

-35-30-25-20-15-10-5 0 5 -35

120

150

180

210

240 270 300 330

-35-30-25-20-15-10-5 0 5 -35

120

150

180

210

240 270 300 330

X

Gain Total Gain Phi Gain Theta

XY

-35-30-25-20-15-10-5 0 5 -35

120

150

180

210

240 270 300 330

-35-30-25-20-15-10-5 0 5 -35

120

150

180

210

240 270 300 330

-35-30-25-20-15-10-5 0 5 -35

120

150

180

210

240 270 300 330

-35-30-25-20-15-10-5 0 5 -35

120

150

180

210

240 270 300 330

-35-30-25-20-15-10-5 0 5 -35

120

150

180

210

240 270 300 330

-35-30-25-20-15-10-5 0 5 -35

120

150

180

210

240 270 300 330

圖 3.7 埠 3(port 3)天線在 2.45GHz 輻射場型模擬圖(a )XY 平面 (b)XZ 平面 (c) YZ 平面

3.3.2 第二支 MIMO 天線

為 了 改 善 第 一 支 MIMO 天 線 埠 2(port 2) 與 埠 3(port 3) 間 的 耦 合 量 (coupling)，並縮小天線在電路版所佔的尺寸，所以埠 1 天線與埠 3 天線放置位 置不再與埠 2 天線平行，而是低於埠 2 天線，利用有效的空間來減少兩天線間的 耦合量，而為了減小天線的尺寸我們也將單頻天線做了些微的改變，將不必要的 地方用金屬填補，其佈局並不會影響等效電路的架構，因此我們設計出了第二支 MIMO 天線，圖 3.8為天線的架構，以及一些實際佈局的尺寸大小。

45

80

6.2

8.4 9.0

11

8.6 6 8.6

Unit：mm

top bottom

1 2 3

圖 3.8 第二支 MIMO 天線架構圖

天線實做於FR4 板，板厚為 0.4mm，而電路版尺寸為 45×80mm²。圖 3.9為天 線實際量測的反射損耗，

圖 3.10

為埠 1(port 1)天線操作在 2.45GHz量測的輻射場 型，

圖 3.11

為埠 2(port 2)天線操作在 2.45GHz量測的輻射場型，

圖 3.12

為埠 3(port 3) 天 線 操 作 在 2.45GHz 量 測 的 輻 射 場 型 。 雖 然 此 天 線 的 可 用 頻 段 為 2.4GHz~2.5GHz並沒有比上一支有所改善，但兩天線間的耦合量(coupling)已經有 很明顯的改善，且此天線的尺寸也比之前小很多。對於應用來說，輻射場型我們 希望埠 1 天線場型可以涵蓋左半平面，而埠 3 天線場型可以涵蓋左右平面，埠 2 則盡可能的涵蓋全部，實際量測結果埠 2(port 2)天線X方向的場型，因為受到埠 1(port 1)天線與埠 3(port 3)天線的擠壓而變的比較扁平，但其在YZ平面仍是相當 全向性，所以仍然可以接受。

表 3.1

為第二支MIMO天線頻寬與增益整理表，其中埠 1(port 1)的GAV180為 左半平面增益的平均值，埠 3(port 3)的G_AV180為左半平面增益的平均值，G_AV360 則為增益總平均值。

第二支 MIMO 天線的缺點有兩個缺點：第一個缺點為頻寬太窄，不合實際 的運用，第二個缺點為天線輻射場型沒有太大的改進，埠 1(port 1)天線輻射場型 在 90°～150°依舊沒有獲得改善。

2 2.2 2.4 2.6 2.8 3 Frequency (GHz)

40 30 20 10 0

Return Loss

S[3,2]

S[1,1]

S[2,2]

S[3,3]

S[1,2]

圖 3.9 第二支 MIMO 天線量測之反射損耗

BW (GHz)

G

_MAX

G

_AV360

G

_MAX

G

_AV360

G

_AV180

G

_MAX

G

_AV360

G

_AV180

Gain (dBi)

-0.2 -3.0

-3.1

2.39~2.49

Port2

Port3

2 2.2 -2.0 2 -1.6

ZY

-0.4 1.6

0.1 3.8

-3.2 -2.7

-1.3 -1.0

2.35~2.60

-0.2 3.5

-3.2 -3.0

-1.3 -0.9

2.41~2.50

Port1

ZX XY

BW (GHz)

G

_MAX

G

_AV360

G

_MAX

G

_AV360

G

_AV180

G

_MAX

G

_AV360

G

_AV180

Gain (dBi)

-0.2 -3.0

-3.1

2.39~2.49

Port2

Port3

2 2.2 -2.0 2 -1.6

ZY

-0.4 1.6

0.1 3.8

-3.2 -2.7

-1.3 -1.0

2.35~2.60

-0.2 3.5

-3.2 -3.0

-1.3 -0.9

2.41~2.50

Port1

ZX XY

表 3.1 第二支 MIMO 天線頻寬與增益整理表

Gain Total Gain Phi Gain Theta

XY

-35-30-25-20-15-10-5 0 5 -35

120

150

180

210

240 270 300 330

-35-30-25-20-15-10-5 0 5 -35

120

150

180

210

240 270 300 330

-35-30-25-20-15-10-5 0 5 -35

120

150

180

210

240 270 300 330

-35-30-25-20-15-10-5 0 5 -35

120

150

180

210

240 270 300 330

-35-30-25-20-15-10-5 0 5 -35

120

150

180

210

240 270 300 330

-35-30-25-20-15-10-5 0 5 -35

120

150

180

210

240 270 300 330

圖 3.10 埠 1(port 1)天線在 2.45GHz 輻射場型量測圖(a )XY 平面 (b) XZ 平面 (c) YZ 平面

Gain Total Gain Phi Gain Theta

XY

-35-30-25-20-15-10-5 0 5 -35

120

150

180

210

240 270 300 330

-35-30-25-20-15-10-5 0 5 -35

120

150

180

210

240 270 300 330

-35-30-25-20-15-10-5 0 5 -35

120

150

180

210

240 270 300 330

-35-30-25-20-15-10-5 0 5 -35

120

150

180

210

240 270 300 330

-35-30-25-20-15-10-5 0 5 -35

120

150

180

210

240 270 300 330

-35-30-25-20-15-10-5 0 5 -35

120

150

180

210

240 270 300 330

圖 3.11 埠 2(port 2)天線在 2.45GHz 輻射場型量測圖(a )XY 平面 (b) XZ 平面 (c) YZ 平面

Gain Total Gain Phi Gain Theta

XY

-35-30-25-20-15-10-5 0 5 -35

120

150

180

210

240 270 300 330

-35-30-25-20-15-10-5 0 5 -35

120

150

180

210

240 270 300 330

-35-30-25-20-15-10-5 0 5 -35

120

150

180

210

240 270 300 330

-35-30-25-20-15-10-5 0 5 -35

120

150

180

210

240 270 300 330

-35-30-25-20-15-10-5 0 5 -35

120

150

180

210

240 270 300 330

-35-30-25-20-15-10-5 0 5 -35

120

150

180

210

240 270 300 330

圖 3.12 埠 3(port 3)天線在 2.45GHz 輻射場型量測圖(a )XY 平面 (b) XZ 平面 (c) YZ 平面

3.3.3 第三支 MIMO 天線

3.3.2 節中提出的天線，雖然我們設計出較小尺寸的天線，但是這也讓我們 犧牲了頻寬，可用的天線頻寬約為 100MHz，不但如此，我們可以看到其埠 1(port 1)天線 XY 平面輻射場型在 90°～150°其增益值只有大約-10dBi，並沒有無整的涵 蓋到左半平面，因此，我們在本小節將提出一支 MIMO 天線來改善這些缺點。

圖 3.13

為第三支天線的架構圖，我們在第二支 MIMO 天線地線(Ground)上 做了些微的變動，將原本埠 1(port 1)天線與埠 3(port 3)天線的地線槽線(Slot)拓寬 為梯型槽線(Slot)，這樣的佈局可以降低本埠 1(port 1)天線與埠 3(port 3)天線的輸 入阻抗，以改善頻寬，而天線的面積並沒有改變多少。

9.3 10

8.2 10.2

11 8.4

6.2

Unit：mm 45

80

top bottom

1 2 3

圖 3.13 第三支 MIMO 天線架構圖

天線實做於FR4 板，板厚為 0.4mm，而電路版尺寸為 45×80mm²。圖 3.14為 天線實際量測的反射損耗，

圖 3.15

為埠 1(port 1)天線操作在 2.45GHz量測的輻射 場型，圖 3.16為埠 2(port 2)天線操作在 2.45GHz量測的輻射場型，圖 3.17為埠 3(port 3)天線操作在 2.45GHz量測的輻射場型。量測結果在 2.37GHz~2.52GHz天 線的反射損耗皆低於-10dB，很明顯的頻寬有了很大的改善，在天線的輻射場型 方面，埠 1 天線XY平面在 90°～150°其增益值約為-3.5dBi比之前的-10dBi有著顯 著的進步。

表 3.2

為第三支天線的頻寬和增益整理表，其中埠 1(port 1)的GAV180為左 半平面增益的平均值，埠 3(port 3)的G_AV180為左半平面增益的平均值，G_AV360則 為增益總平均值。

第三支 MIMO 天線與第二支 MIMO 天線的比較：

1. 頻寬：第三支的頻寬 150MHz 比第二支的頻寬 100MHz 來的寬。

2. 場型：兩支天線的最大增益與平均增益並不會差太多，但是第三支 MIMO 天 線輻射場型比較符合我們的設計需求。

3. 耦合量(Coupling)：兩支 MIMO 天線的尺寸都不大，三支天線在電路板上只 佔了 45×20mm²，在空間有限的情況下，因為天線的場型

分集化，所以兩支MIMO天線的天線間耦合量都在-12dB 以下。

Frequency (GHz)

2 2.2 2.4 2.6 2.8 3

40 30 20 10 0

Return Loss

S[3,2]

S[1,1]

S[2,2]

S[3,3]

S[1,2]

圖 3.14 第三支 MIMO 天線量測之反射損耗

BW (GHz)

G

_MAX

G

_AV360

G

_MAX

G

_AV360

G

_AV180

G

_MAX

G

_AV360

G

_AV180

Gain (dBi)

-1.2 -3.4

-4.1

2.37~2.52

Port2 Port3

-0.1 1.7 -1.3

2.3 -2.0

ZY

-0.8 -1.1

-1.4 3.8

-5.1 -2.8

-2.9 -0.5

2.36~2.58

-2.2 3.6

-5.3 -2.6

-3.1 -0.4

2.37~2.52

Port1

ZX XY

BW (GHz)

G

_MAX

G

_AV360

G

_MAX

G

_AV360

G

_AV180

G

_MAX

G

_AV360

G

_AV180

Gain (dBi)

-1.2 -3.4

-4.1

2.37~2.52

Port2 Port3

-0.1 1.7 -1.3

2.3 -2.0

ZY

-0.8 -1.1

-1.4 3.8

-5.1 -2.8

-2.9 -0.5

2.36~2.58

-2.2 3.6

-5.3 -2.6

-3.1 -0.4

2.37~2.52

Port1

ZX XY

表 3.2 第三支 MIMO 天線頻寬與增益整理表

Gain Total Gain Phi Gain Theta

XY

-35-30-25-20-15-10-5 0 5 -35

120

150

180

210

240 270 300 330

-35-30-25-20-15-10-5 0 5 -35

120

150

180

210

240 270 300 330

-35-30-25-20-15-10-5 0 5 -35

120

150

180

210

240 270 300 330

-35-30-25-20-15-10-5 0 5 -35

120

150

180

210

240 270 300 330

-35-30-25-20-15-10-5 0 5 -35

120

150

180

210

240 270 300 330

-35-30-25-20-15-10-5 0 5 -35

120

150

180

210

240 270 300 330

圖 3.15 埠 1(port 1)天線在 2.45GHz 輻射場型量測圖(a )XY 平面 (b) XZ 平面 (c) YZ 平面

Gain Total Gain Phi Gain Theta

XY

-35-30-25-20-15-10-5 0 5 -35

120

150

180

210

240 270 300 330

-35-30-25-20-15-10-5 0 5 -35

120

150

180

210

240 270 300 330

-35-30-25-20-15-10-5 0 5 -35

120

150

180

210

240 270 300 330

-35-30-25-20-15-10-5 0 5 -35

120

150

180

210

240 270 300 330

-35-30-25-20-15-10-5 0 5 -35

120

150

180

210

240 270 300 330

-35-30-25-20-15-10-5 0 5 -35

120

150

180

210

240 270 300 330

圖 3.16 埠 2(port 2)天線在 2.45GHz 輻射場型量測圖(a )XY 平面 (b) XZ 平面 (c) YZ 平面

Gain Total Gain Phi Gain Theta

XY

-35-30-25-20-15-10-5 0 5 -35

120

150

180

210

240 270 300 330

-35-30-25-20-15-10-5 0 5 -35

120

150

180

210

240 270 300 330

-35-30-25-20-15-10-5 0 5 -35

120

150

180

210

240 270 300 330

-35-30-25-20-15-10-5 0 5 -35

120

150

180

210

240 270 300 330

-35-30-25-20-15-10-5 0 5 -35

120

150

180

210

240 270 300 330

-35-30-25-20-15-10-5 0 5 -35

120

150

180

210

240 270 300 330

圖 3.17 埠 3(port 3)天線在 2.45GHz 輻射場型量測圖(a )XY 平面 (b) XZ 平面 (c) YZ 平面

第四章 結論(Conclusion)

本論文利用電氣長度 60 度的傳輸線模型（右手π模型串接左手T模型），應 用於雙頻天線與MIMO天線的設計。首先雙頻天線的設計是選擇第一個共振頻率 在2.45GHz、電氣長度為 60 度以及傳輸線特性阻抗Z0=25，利用串接π與T模型的 左右手傳輸線得到第二共振頻率在 5.4GHz，我們透過適當的佈局來達到雙頻天 線的設計，此雙頻天線是製作在印刷電路板(FR4)上，有製作簡單、成本低、整 體的面積小易與其他電路結合、不需要額外的集總元件做匹配，直接50Ω線餽入 等優點，實際天線尺寸為15×15mm²，而實做成果，其操作頻段在2.3GHz~2.6GHz 與4.9GHz~5.25GHz反射損耗皆低於-10dB，操作在 2.45GHz時，在XY、XZ、YZ 三平面都有接近全向性(omni-direction)的輻射場型，且三個平面最大增益都有大 於0dBi：操作在 5GHz時，也都有不錯的量測場型，最大增益也都有大於 0dBi。

本論文第二部分延續傳輸線模型的觀念設計出 MIMO 天線，而為了改良訊 號的收發品質，在本論文中製作了場型分集化天線。天線的頻寬、場型、耦合量 (Coupling)以及尺寸，在本論文中也都有所討論與分析，而實做量測結果也都符 合我們的期待，並且三支天線在電路板中只佔用了20mm 的高度，此天線的設計 對於無線網卡運用，希望可以有所幫助。

在文檔中 應用於雙頻與MIMO天線之串接左右手傳輸線 (頁 38-57)