第四章 實現高隔離度的雙天線
4.2 高隔離度的雙天線使用散射係數交換法
設計原理由第三章可知，天線的設計頻段在 802.11b/g(2.4~2.4835GHz)，也 是應用在USB(Universal Serial Bus)基版上面，在這一小節會把枝幹耦合器與低 隔離雙天線結合在配合上L型匹配網路，就可以產生高隔離度的雙天線，首先我 們會先探討未縮小化的天線結合未縮小化的枝幹耦合器；然後再去探討未縮小 化的天線結合縮小化的枝幹耦合器；最後探討縮小化的天線結合縮小化的枝幹 耦合器，首先，在設計上會使用到EM模擬軟體(HFSS)與電路模擬軟體(AWR)分 別進行天線的模擬、枝幹耦合器、匹配網路等模擬，整體的天線架構如圖 4.14(a)所示，此天線建構在FR4 0.8mm的基版上各個天線尺寸參數如下所示：
L=60mm、W=Wg =22mm、Wm=1.5mm、Lm=18.5mm、Lg=41.5mm，未加上去枝 幹耦合器以及匹配網路的S參數如圖4.15，圖4.16表示的是加上去枝幹耦合器而 未加上匹配網路的S參數圖。
Wg Lg
W
L Lm
Wm
Lg
Wg Lg
W
L Lm
Wm
Lg
圖4.14 高隔離度雙天線 (原型)
2 2.2 2.4 2.6 2.8 3
Frequency (GHz)
-30 -25 -20 -15 -10 -5
0
Scattering Parameter (dB)
Low Isolation Dual-Antennas
Return loss (Simulated result) DB S[1,1]andS[2,2]
DB S[2,1]andS[1,2] Isolation (Simulated result)
2 2.2 2.4 2.6 2.8 3
Frequency (GHz)
-30 -25 -20 -15 -10 -5
0
Scattering Parameter (dB)
Low Isolation Dual-Antennas
Return loss (Simulated result) DB S[1,1]andS[2,2]
DB S[2,1]andS[1,2] Isolation (Simulated result) 圖4.15 低隔離度雙天線之 S 參數圖 (原形)
2 2.2 2.4 2.6 2.8 3
Frequency (GHz)
-25 -20 -15 -10 -5
0
Scattering Parameter (dB)
Decouple
Return loss (Simulated result)
DB S[1,1]andS[2,2]
DB S[2,1]andS[1,2] Isolation (Simulated result)
2 2.2 2.4 2.6 2.8 3
Frequency (GHz)
-25 -20 -15 -10 -5
0
Scattering Parameter (dB)
Decouple
Return loss (Simulated result)
DB S[1,1]andS[2,2]
DB S[2,1]andS[1,2] Isolation (Simulated result) 圖4.16 去耦合低隔離度雙天線之 S 參數圖 (原型)
2 2.2 2.4 2.6 2.8 3
Frequency (GHz)
-30 -25 -20 -15 -10 -5
0
Scattering Parameter (dB)
High Isolation Dual-Antennas
Return loss (Simulated result) DB S[1,1]andS[2,2]
DB S[2,1]andS[1,2] Isolation (Simulated result)
2 2.2 2.4 2.6 2.8 3
Frequency (GHz)
-30 -25 -20 -15 -10 -5
0
Scattering Parameter (dB)
High Isolation Dual-Antennas
Return loss (Simulated result) DB S[1,1]andS[2,2]
DB S[2,1]andS[1,2] Isolation (Simulated result) (a) 高隔離度雙天線模擬結果
2 2.2 2.4 2.6 2.8 3
Frequency (GHz)
-30 -25 -20 -15 -10 -5
0
Scattering Parameter (dB)
High Isolation Dual-Antennas
Return loss (Measured result) DB S[1,1]]
DB S[2,1]andS[1,2] Isolation (Measured result) DB S[2,2]] Return loss (Measured result)
2 2.2 2.4 2.6 2.8 3
Frequency (GHz)
-30 -25 -20 -15 -10 -5
0
Scattering Parameter (dB)
High Isolation Dual-Antennas
Return loss (Measured result) DB S[1,1]]
DB S[2,1]andS[1,2] Isolation (Measured result) DB S[2,2]] Return loss (Measured result)
(b) 高隔離度雙天線量測結果
圖4.17 高隔離度雙天線之 S 參數圖 (原型)
圖4.19a~c與4.20a~c為天線各個平面的場型的量測值，其中XY 平面與 ZX 平面都有使天線場型達到偏移的效果。首先把信號由 Port 1 饋入，我們先觀察 XY 平面發現此時的天線場型是往+X 方向偏；再把訊號往 Port 2 饋入，在這個 情況之下天線場型是往-X 方向偏移，這是天線陣列所產生的效應。枝幹耦合器 會將能量一分為二並且產生90 度的相位差，我們定義左邊的天線為天線 1 號右 邊的天線為天線2 號，由 Port 1 饋入的話 1 號相位會領先 2 號，所以天線場型會 往2 號的方向偏；反之由 Port 2 饋入的話 2 號會領先 1 號天線的場型會往 1 號 偏，我們可以利用天線陣列的概念來分析，假設饋入天線的大小相同( ) 且相位(
1 2
A =A α )相差 90 度，兩天線的距離( )為空氣中的八分之一波長經由計算可得 式子(4-1)。能量由 Port 1 饋入時，模擬出來的天線輻射場型如圖4.18所示，發 現天線的輻射場型確實往+X 方向偏轉。
d
( )cos ( )cos
2 2
1 2
d d
j j j
AF =A e− β φ +A e− β φeα 2 4 cos (cos 1)
4
j
e
π π φ
− ⎡ ⎤
= ⎢⎣ − ⎥⎦ (4-1)
Ant.1 Ant.2 d
x y
φ
Ant.1 Ant.2 d
x y
φ
Ant.1 Ant.2 d
Ant.1 Ant.2 d
x y
φ x
y
φ
圖4.18 由天線陣列概念模擬的天線輻射場型
X
-35-30-25-20-15-10-5 0 5 -35
-35-30-25-20-15-10-5 0 5 -35
-35-30-25-20-15-10-5 0 5 -35
-35-30-25-20-15-10-5 0 5 -35
-35-30-25-20-15-10-5 0 5 -35
-35-30-25-20-15-10-5 0 5 -35
X
-35-30-25-20-15-10-5 0 5 -35
-35-30-25-20-15-10-5 0 5 -35
(a)XY-plane
ZX-P2
-35-30-25-20-15-10-5 0 5 -35
-35-30-25-20-15-10-5 0 5 -35
-35-30-25-20-15-10-5 0 5 -35
-35-30-25-20-15-10-5 0 5 -35
4.2.2 高隔離度雙天線模擬與量測 (縮小化) [14]
cos sin sin
( (cos sin ) cos sin ) cos sin
Z
A’Z
B’L
B’L
A’Lumped element Via hold Z
A’Z
B’L
B’L
A’Z
A’Z
B’L
B’L
A’Lumped element Via hold
圖4.22 縮小型枝幹耦合器
由於天線架構與 4.2.1 小節相同，在這裡我們只將其去耦合未加匹配的S參 數量測結果與高隔離度天線的S參數量測結果顯示出來如圖 4.24 與圖 4.25，其 場 型 的 分 析 亦 都 與 上 一 小 節 相 同 我 們 利 用 天 線 陣 列 的 概 念 來 瞭 解 它 ，圖 4.26a~c與圖 4.27a~c為其天線場型的量測值，整體的天線價構圖如圖 4.23 所 示，L=60mm、W=Wg =22mm、Wm=1.5mm、Lm=18.5mm、Lg=41.5mm。
Wg Lg
W
L Wm
Lm
Wg Lg
W
L Wm
Lm
圖 4.23 高隔離度雙天線 (縮小型)
2 2.2 2.4 2.6 2.8 3
Frequency (GHz)
-50 -40 -30 -20 -10 0
Scattering Parameter (dB)
Decouple
Return loss (Measured result) DB S[1,1]]
DB S[2,1]andS[1,2] Isolation (Measured result) DB S[2,2]] Return loss (Measured result)
2 2.2 2.4 2.6 2.8 3
Frequency (GHz)
-50 -40 -30 -20 -10 0
Scattering Parameter (dB)
Decouple
Return loss (Measured result) DB S[1,1]]
DB S[2,1]andS[1,2] Isolation (Measured result) DB S[2,2]] Return loss (Measured result)
圖4.24 去耦合低隔離度雙天線之 S 參數圖 (縮小型)
2 2.2 2.4 2.6 2.8 3
Frequency (GHz)
-40 -30 -20 -10 0
Scattering Parameter (dB)
Measured Result
Return loss (Measured result) DB S[1,1]]
DB S[2,1]andS[1,2] Isolation (Measured result) DB S[2,2]] Return loss (Measured result)
2 2.2 2.4 2.6 2.8 3
Frequency (GHz)
-40 -30 -20 -10 0
Scattering Parameter (dB)
Measured Result
Return loss (Measured result) DB S[1,1]]
DB S[2,1]andS[1,2] Isolation (Measured result) DB S[2,2]] Return loss (Measured result)
圖4.25 高隔離度雙天線之 S 參數圖 (縮小型)
X
-35-30-25-20-15-10-5 0 5 -35
-35-30-25-20-15-10-5 0 5 -35
-35-30-25-20-15-10-5 0 5 -35
-35-30-25-20-15-10-5 0 5 -35
-35-30-25-20-15-10-5 0 5 -35
-35-30-25-20-15-10-5 0 5 -35
X
-35-30-25-20-15-10-5 0 5 -35
-35-30-25-20-15-10-5 0 5 -35
-35-30-25-20-15-10-5 0 5 -35
-35-30-25-20-15-10-5 0 5 -35
-35-30-25-20-15-10-5 0 5 -35
-35-30-25-20-15-10-5 0 5 -35
最後要介紹的這一支高隔離度天線如圖 4.28 所示，天線的參數如下：
L=60mm、W=Wg =22mm、Wm=1.5mm、Lm1 = 10 mm , Lm2 = 7 mm, , Lm3 = 6.5 mm、Lg=50mm。圖4.29為加上枝幹耦合器的S參數圖量測值、圖 4.30為低隔度 雙天線加上枝幹偶合器與匹配網路的S參數量測值，天線場型如圖 4.31 與圖 4.32 所示，我們可觀察到天線的場型比先前的小，這是因為天線縮小的關係使 得天線增益下降，但天線輻射場型大致上沒什麼改變，還是可以使天線場型產 生偏轉的效果，由於我們不斷的天線與枝幹耦合器縮小，在頻寬方面會比先前 的架構來的小一些，但功能方面的差異性不大，表4.3為高隔離度雙天線之增益 平均值(原型)、表4.4為高隔離度雙天線之增益平均值(縮小型)、表4.5為高隔離 度雙天線之增益平均值(縮小型 2)。
Wg Lg
W
L Lm1
Lm2 Lm3
Wm
Wg Lg
W
L Lm1
Lm2 Lm3
Wm
圖 4.28 高隔離度雙天線 (縮小型 2)
2 2.2 2.4 2.6 2.8 3
Frequency (GHz)
-40 -30 -20 -10 0
Scattering Parameter (dB)
Decouple
Return loss (Measured result) DB S[1,1]]
DB S[2,1]andS[1,2] Isolation (Measured result) DB S[2,2]] Return loss (Measured result)
2 2.2 2.4 2.6 2.8 3
Frequency (GHz)
-40 -30 -20 -10 0
Scattering Parameter (dB)
Decouple
Return loss (Measured result) DB S[1,1]]
DB S[2,1]andS[1,2] Isolation (Measured result) DB S[2,2]] Return loss (Measured result)
圖4.29 去耦合低隔離度雙天線之 S 參數圖 (縮小型 2)
2 2.2 2.4 2.6 2.8 3
Frequency (GHz)
-40 -30 -20 -10 0
Measured Result
Scattering Parameter (dB)
Return loss (Measured result) DB S[1,1]]
DB S[2,1]andS[1,2] Isolation (Measured result) DB S[2,2]] Return loss (Measured result)
2 2.2 2.4 2.6 2.8 3
Frequency (GHz)
-40 -30 -20 -10 0
Measured Result
Scattering Parameter (dB)
Return loss (Measured result) DB S[1,1]]
DB S[2,1]andS[1,2] Isolation (Measured result) DB S[2,2]] Return loss (Measured result)
圖4.30 高隔離度雙天線之 S 參數圖 (縮小型 2)
X
-35-30-25-20-15-10-5 0 5 -35
-35-30-25-20-15-10-5 0 5 -35
-35-30-25-20-15-10-5 0 5 -35
-35-30-25-20-15-10-5 0 5 -35
-35-30-25-20-15-10-5 0 5 -35
-35-30-25-20-15-10-5 0 5 -35
X
-35-30-25-20-15-10-5 0 5 -35
-35-30-25-20-15-10-5 0 5 -35
-35-30-25-20-15-10-5 0 5 -35
-35-30-25-20-15-10-5 0 5 -35
-35-30-25-20-15-10-5 0 5 -35
-35-30-25-20-15-10-5 0 5 -35
Port 1 Port 2 XY-左半平面 -6.6682dB -1.4605dB XY-右半平面 -1.5835dB -9.0971dB XY-全平面 -3.4207dB -3.7803dB ZX-上半平面 -6.7852dB -1.8056B ZX-下半平面 -2.4556dB -4.5691dB ZX-全平面 -4.1018dB -2.9712dB 表4.3 高隔離度雙天線之增益平均值 (原型)
Port 1 Port 2 XY-左半平面 -6.1957dB -1.4021dB XY-右半平面 -0.8516dB -6.692dB XY-全平面 -2.7488dB -3.287dB ZX-上半平面 -5.4945dB -1.0955B ZX-下半平面 -1.8608dB -5.3065dB ZX-全平面 -3.3082dB -2.7095dB
表4.4 高隔離度雙天線之增益平均值 (縮小型)
Port 1 Port 2 XY-左半平面 -6.9129dB -1.0296dB XY-右半平面 -1.5104dB -8.3512dB XY-全平面 -3.4207dB -3.3017dB ZX-上半平面 -8.302B -2.903dB ZX-下半平面 -3.5831dB -6.204dB ZX-全平面 -5.3308dB -4.2471dB
表4.5 高隔離度雙天線之增益平均值 (縮小型 2)