高增益天線陣列設計

首先，以微帶線並聯的饋入結構設計能量一分三的網路，再利用傳輸線作阻 抗的匹配[13]，最後再以其寬頻的特性饋入到天線陣列，圖 2-10 為饋入網路示意 圖，圖2-11 及圖 2-12 分別為饋入網路之反射損耗(Return Loss)、插入損耗 (Insertion Loss)以及各輸出埠相位圖。

圖 2-10：饋入網路示意圖

圖 2-11：天線陣列饋入網路之反射損耗及插入損耗模擬圖

圖 2-12：天線陣列饋入網路各輸出埠相位差

從圖 2-11 可以發現各輸出埠的能量在不同頻率的變化，實線為埠一(port1) 的反射損耗，其餘為埠二、三及四的插入損耗，在工作頻率的範圍，輸出埠的能 量差值在2dB 以內。而每個輸出埠在工作頻率的相位差為 20°以內。

接著我們利用圖 2-10 的分歧器，輸出埠接上天線，三元天線陣列如圖 2-13，

觀察其反射損耗(圖 2-14)與輻射場型(圖 2-15)。

圖 2-13：三元天線陣列

圖 2-14：三元天線陣列反射損耗

圖 2-15：三元天線陣列在中心頻率 3.55GHz 模擬的輻射場型

由圖 2-14、圖 2-15 了解到反射損耗在工作頻段(3.4GHz~3.7GHz)滿足要求，

觀察輻射場型發現增益已可達到12dBi，此時再利用一組能量一分三的分歧器，

設計總天線陣列，預計為三乘以三共九個元素的天線陣列，設計參數如表2-2：

Dielectric constant(top，bottom) 4.4 ， 4.4 Substrate thickness(top，bottom) 0.8mm ， 1.6mm Loss tangent 0.02

Air gap 5mm Upper substrate size 250mm x 200mm Ground size 300mm x 250mm

表 2-2：天線陣列設計參數

圖 2-16 為天線陣列結構圖，由於饋入網路阻抗匹配與相位差對天線陣列影

響非常大，所以設計其信號饋入端為50Ω，以符合實際上使用的 SMA 接頭，使

饋入網路匹配。

圖 2-16：天線陣列結構俯視圖

圖 2-17 為天線陣列在(a)3.4GHz、(b)3.55GHz、(c)3.7GHz 的輻射場型，從圖 中可看出模擬與量測的輻射場型相當接近，增益也能達到要求。

(a)3.4GHz

(b)3.55GHz

(c)3.7GHz

圖 2-17：天線陣列輻射場型

天線結構確定之後，對於其輻射場型的分布需求要符合 ETSI-TS2 的規範。

表2-3 為 ETSI-TS2 對輻射場型分布的要求，以下針對輻射場型與 ETSI-mask 做 一比較，如圖2-18 所示，從圖中發現，除了 3.4GHz 些微超出標準之外，其餘頻 段都能滿足輻射場型要求，之後會將改善的部份再做比較。

表 2-3：ETSI-TS2 對輻射場型分布之要求

(a)3.4GHz

(b)3.55GHz

(c)3.7GHz

圖 2-18：天線陣列輻射場型與 ETSI-mask 之比較

圖 2-19 為天線陣列模擬與量測的反射損耗，其工作頻率與設計之天線相去 不遠，均包含3.4GHz~3.7GHz。圖 2-20 為實際量測的增益對頻率的變化圖，其 增益的全頻段都能大於14dBi，其中某些頻率點可看出 E-plane 與 H-plane 所量 測到的最大增益值並不相同，這主要的原因在於由饋入網路輸出端在在不同頻率 會有些微的相位差所致，使得天線的最大增益值會些微偏移一個角度，不過，基 本上的趨勢還是相近。

圖 2-19：天線陣列模擬與量測之反射損耗

圖 2-20：天線陣列增益對頻率圖

頻率(GHz) 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8

E-plane 增益

(dBi) 14.57 16.19 17.02 16.34 15.68 14.29 H-plane 增益

(dB) 14.21 15.82 16.24 16.07 15.81 14.34 表 2-4：天線陣列增益對頻率表

(a)俯視圖

(b)側視圖

圖 2-21：天線陣列實體圖(a)俯視圖(b)側視圖