波束切換天線設計方法

波束切換天線基本組成如圖3-1所示，在進行天線設計模擬時使用Ansoft 公司的有限元素分析軟體-HFSS[21]。天線設計參數有天線地面邊長a、寄生天 線數量、寄生天線間距d、寄生天線與地面中心距離b/2、寄生天線長度L、不同 反射面形式等，其他如微帶線寬度w及寄生天線切換點e等設定為固定值2mm及 10mm。設計模擬時，調整這些參數與天線組成，並使寄生天線上的切換點直 接短路或斷路來替代RF開關的閉路或開路動作，得出天線特性模擬結果，並歸 納提出一組寄生天線開關之波束切換天線實作建議數據做為製作依據。設計傳 輸線開關時，根據原有的實作建議數據加以修改模擬，得出與上述天線雷同的 天線特性模擬結果，並同樣整理出一組傳輸線開關之波束切換天線實作建議數 據做為製作依據。

3.2.1 全向性

天線在訊號搜尋時，將以全向性進行，此天線輻射模擬可由四邊的寄生天 線切換斷路得出，饋入天線長度c因輸入阻抗匹配及週邊寄生天線存在的影響，

長度比四分之波長短，調整饋入天線長度c為27mm(0.216λ)，天線地面邊長a為 150mm (1.2λ)，圖3-2為波束切換天線全向性反射損失S

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模擬結果，圖3-3為波 束切換天線全向性輻射場型模擬結果，2.4 GHz反射損失S

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為-10.7dB，10 dB反 射損失頻寬2.38 ~ 2.67G Hz，最大增益3.49dBi 在地面仰角40°。

Return Loss for Omni-Pattern

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)

-14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0

圖3-3 波束切換天線全向性輻射場型模擬 小的輻射場型模擬，表3-1說明不同地面大小的反射損失S

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、10dB反射損失頻 寬、最大增益等模擬數據，地面面積越大使經由地面鏡射的電波越多，而使增

圖3-4 不同地面大小的反射損失模擬

(a) = 135

^o

平面



a

天線地面 Return Losses for Various Gnd Plane Size

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)

-25

Gnd 100mm X 100mm Gnd 150mm X 150mm Gnd 250mm X 250mm

Gnd 350mm X 350mm Z

X Y

V-Plane Patterns for Various GND Plane Size

-20 -15 -10 -5 0 5 10

GND 100mm X 100mm

GND 150mm X 150mm

GND 250mm X 250mm

GND 350mm X 350mm

(b)= 90

^o

平面 S

11

@2.4GHz(dB)

10dB反射損失頻寬 (GHz)

最大增益(dBi) 100 -15.26 2.28 ~ 2.6 7.58 150 -19.43 2.24 ~2.7 8.58 250 -19.73 2.26 ~ 3.1 9.7

H-Plane Pattrens for Various GND Plane Size

-15 -10 -5 0 5 GND 100mmx100mm 330 GND 150mmx150mm GND 250mmx250mm GND 350mmx350mm

不同數量的反射損失模擬結果，圖3-7為寄生天線不同數量的輻射場型模擬結 果，表3-2 說明寄生天線不同數量的反射損失S

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、10dB反射損失頻寬、最大增 益等模擬數據，單支寄生天線反射面較小使增益變小，三支寄生天線反射面較 大使Back lobe增益較小，與二支寄生天線最大增益相近但需三個切換開關。考 量天線增益及RF開關數量，天線實作採用每邊2支寄生天線的樣式佈置為主。

圖3-6 寄生天線不同數量的反射損失模擬

(a) = 135

^o

平面

寄生天線數量 Return Losses for 1~3 Parasitic elements Each Side

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)

-35

0 One Parasitic Element

Two Parasitic Elements Three Parasitic Elements

V-Plane Pattern for 1~3 Parasitic Elements Each side

One Parasitic Elem ent each side Two Parasitic Elements each side Three Parasitic Elem ents each side

(b) = 90

^o

平面 S

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@2.4GHz(dB)

10dB反射損失頻寬 面邊長a為150 mm，饋入天線長度c為27mm，寄生天線長度L為30mm，四邊寄 生天線與地面中心距離b/2為40mm，一相鄰兩邊的寄生天線開關短路設為邊角 反射器，圖3-8 為寄生天線不同間距的反射損失模擬，圖3-9 為寄生天線不同

H-Plane Patterns for 1~3 Parasitic Elements Each Side

-15 -10 -5 0 5 1 Parasitic Element 2 Parasitic Elements 3 Parasitic Elements

間距的輻射場型模擬，表3-3 說明寄生天線不同間距的反射損失S

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、10dB反射

Return Loss for Various Parasitic Elements Distance d

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)

-25

V-Plane Patterns for Various Parasitic Element Distance d

-20 -15 -10 -5 0 5 10

(b) = 90

^o

平面 S

11

@2.4GHz(dB)

10dB反射損失頻寬

H-Plane Patterns for Various Parasitic Element Distance d

-15 -10 -5 0 5 d=30mm 330 d=40mm d=50mm d=60mm

入天線長度c為27mm，寄生天線長度L為30mm，每邊有2支寄生天線，間距d為

Return Losses for Various Distance b/2

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)

-25

V-Plane Patterns for Various Distance b/2

-20 -15 -10 -5 0 5 10

(b)= 90

^o

平面 S

11

@2.4GHz(dB)

10dB反射損失頻寬

H-Plane Pattrens for Various Distance b/2

-15 -10 -5 0 5 b/2= 30mm b/2= 40mm b/2= 50mm

3-5 說明寄生天線不同長度的反射損失S

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、10dB反射損失頻寬、最大增益等模

Return Losses for Various Parasitic Element Length

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)

-25

V-Plane Patterns for Various Parasitic Length

-20 -15 -10 -5 0 5 10

(b) = 90

^o

平面 S

11

@2.4GHz(dB)

10dB反射損失頻寬

H-Plane Patterns for Various Parasitic Length

-15 -10 -5 0 5 L=28mm 330 L=30mm L=32mm

失模擬，圖3-15 為不同反射器形式的輻射場型模擬，表3-6 說明波束切換天線

V-Plane Patterns for Different Reflector type

-25 -20 -15 -10 -5 0 5

for One-side Reflector for Two-sie Reflector for Three-side Reflector

Z

X Y

Return Losses for Different Reflector type

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)

-25

for One Side Reflector for Two Side Reflector for Three Side Reflector

(b) = 90

^o

平面 S

11

@2.4GHz(dB)

10dB反射損失頻寬 (GHz)

最大增益(dBi)

One-side -17.46 2.27 ~ 2.76 6.14 Two-side -19.43 2.24 ~ 2.7 8.58 Three-side -12.26 2.23 ~ 2.5 8.32

在文檔中 應用於無線網路之波束切換天線設計與實現 (頁 23-36)