心得與討論

在這節中我們介紹了所設計的二維無線波長多埠分波器的架構與原理，當然也從模 擬與實作中驗證了我們的設計，確定其可行性，最後也針對一個輸出埠透過一些簡單的 數學運算來萃取出它的等效電路來與理論做結合。這章節所設計的二維無線多埠分波器 是相當成功的，對於其它微波電路可以提供相當良好的應用，但在此要特別強調，除了 我們所設計的三埠與四埠分波器外，只要稍作調整便可得到任意多埠分波器。我們是利 用一個電路單元來做設計，但如果要得到更多輸出埠的分波器，除了稍微改變形狀外，

也可以透過串接多個電路單元來實現，如此便能將它延伸成多埠分波器。另外，前面有 提到，在不同輸出埠數目時，其匹配會造成影響。雖然我們的應用只著重在一個輸出埠 時以及相鄰兩個輸出埠時，正常的匹配可以同時讓兩者反射參數小於-10dB，但若在其 它需要改變輸出埠數目應用時，我們可以在前端多設計一個可調的匹配電路，利用簡單 的可變電容電感來做調整，如此便可以在一個電路中任意改變輸出埠數目，這是一個相 當有趣的設計。

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第四章 PIN 二極體控制切換波束天線

(Pin-Diode-Controlled Beam-Switching Antenna)

4.1 概述

在無線通訊系統中，我們常希望能夠改變天線的波束方向與場型來增加訊號增益、

改善通訊品質，並減少同類信號干擾與多重路徑衰減的影響。為了達成此目的，智慧型 天線(smart antenna)技術日益受到重視。

智慧型天線之概念源自於適應性天線陣列(adaptive antenna array)，最初是應用 於雷達、聲納與軍事通訊領域，近年來由於數位訊號處理技術的迅速發展、IC 處理速度 的提高與價格的普及，使得智慧型天線技術在商用無線通訊系統中的運用可能性大幅提 高。所謂智慧型天線，是由一組採特定幾何陣列的天線元件所組成，利用適應性或切換 式的方法控制主動元件來改變電波輻射場型，應用空間分集式特性(spatial diversity) 來區分與合成不同方位的使用者與路徑訊號，透過適應性波束調整的機制，使其增加通 道容量和改善訊號品質、提供降低時間延遲與多重路徑衰退的影響、對干擾抑制或消除 和提升發射效率與系統涵蓋範圍等。一般而言，根據設計不同可將智慧型天線分為適應 性天線與切換波束兩類。

適應性天線是運用數位訊號處理和陣列天線觀念，充分利用訊號方向性及傳波通道 特性計算並適應性地調整天線權值(wights)，運用波束構成(beanforming)技術來產生 所需要之波束場型。目的在將主波束對準目標訊號並適應性地即時追蹤訊號，且同時抑 制或消除其他干擾訊號，透過空間分集的技術將多重路徑訊號結合，來最大化訊號對干 擾比(signal to noise ratio, SNR)，以提升接收品質、增加容量、擴大涵蓋面和提高 傳輸速率。適應性天線的效益雖高，但因為需要執行複雜的適應性演算法，實現成本與 難度也相對較高。

切換波束在智慧型天線中是最簡單的技術，只有簡單的切換功能，利用多個指向不 同方向的波束覆蓋整個通訊區域，當用戶端進入某特定波束的涵蓋區時，視接收訊號位 置所在而切換不同的對應波束以接收訊號，使得接收訊號強度達到最大，同時消除干擾 訊號源。因固定波束不一定會處於波束的中心點，因此限制了性能改善程度，儘管如此，

由於方法簡單且不需複雜的運算，依然為目前最廣為使用的類型。本章節將設計能以平

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面印刷電路板(printed circuit board)技術來實現的切換波束天線，以期能配合實際 應用需求來自由切換場型。

4.2 印刷半波長偶極天線設計

由於 PCB 印刷天線體積小，架構簡單，因此近年來在無線通訊市場上逐漸受到重視 與利用。所謂印刷天線是將天線設計在介質基板上，利用位在介質基板上的金屬輻射元 件產生電能與磁能的振盪，因而將電磁波輻射出去。印刷偶極天線由於將電路實現於印 刷電路板上，因此印刷電路板對天線具有相當大的影響，包括接地面及線長、線寬都對 其共振頻率影響甚鉅。在本節中，我們將要在 Rogers RT/Duriod 5880 基板上設計出一 個簡單的印刷半波長偶極天線(printed half-wave dipole)，並將它利用於後面所設計 的切換波束天線。

4.2.1 半波長偶極天線的原理

半波長偶極天線為一種被廣泛使用的天線，我們可以將它想像為電流流在無限細 長且長度為半波長的導線上。根據傳輸線原理，當一傳輸線兩端為開路，且傳輸線的總 長度為半個波長時，若在中點饋入與波長對應的訊號源，將會產生駐波共振。由於此種 半波長天線似為兩極等相訊號源所組成，相位相差 180 度，故稱之為偶極天線，這種天 線的好處是方便設計，且在共振頻率下它可以提供一個幾近為零的電抗值，因此可以容 易達到共軛匹配。此種單純的偶極天線有固定的天線增益約為 2.3dB 及 78 度左右的波 束寬度。

圖 4-1 半波長偶極天線電流分佈

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我們可以想像將天線放在 Z 軸座標上，而它的電流分佈如下 sin

4 | | ， | |

4 4 1 電流分佈如圖4-1。我們可以發現電流在兩端趨近於零，而在中點有最大值Im。透過電流 來計算半波長偶極天線的輻射場型，同樣地想像將天線置於Z軸座標上，經過一連串數 學計算後，可得電場場型簡化如式子4-2。

2

4 sin cos /2 cos

sin 。 4 2 從展開式中可以得到g(θ)=sinθ，因此正規化場型因子即為 

θ cos /2 cos

sin ， 4 3 如此天線遠場正規化的場型分佈如下

cos /2 cos

sin 。 4 4 從式子中可以發現在θ=π/2時會有最大的場型，而在沿著偶極天線擺放的Z軸則有最小的 輻射。圖4-2為半波長偶極天線在Z軸上的遠場輻射場型。

圖 4-2 半波長偶極天線場型分佈(a)E 場輻射場型(b)H 場輻射場型

當半波長偶極天線為理想無窮細的天線時，則輸入阻抗除了輻射電阻外還有虛部項，

且此虛部為電感性；但實際在設計偶極天線時不可能無窮細，且一方面為了將虛部匹配 掉，所以整個天線長度往往比半波長還短一點。

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4.2.2 八木天線

八木天線是一種被動偶極天線的線性陣列，由於它具有簡單製作及高的相對增益，

所以非常的實用。最基本的八木天線包含三個成分：驅動元件(driven element)、反射 元件(reflector element)以及導波元件(director element)，一般驅動元件多半採用 半波長偶極天線。八木天線的場型會如此簡單漂亮，主要原因為來自於寄生單元的長度 不同，藉由寄生單元的變化，原本兩個端射(endfire)的波束會趨向為我們所希望的單 一波束。

假設驅動元件是一個半波長的偶極天線，當寄生單元為一個略長於驅動元件的直線，

並與偶極天線間隔 0.04λ，如此主波束將由寄生單元射向驅動元件，這種寄生單元稱之 為反射元件，因為對驅動元件而言它呈現反射的效果；假如寄生單元長度略小於驅動元 件，且將它放置在驅動元件的另一邊，這樣的架構對天線幅射場型的影響跟放置一個反 射元件在天線另一邊有相類似的效果，且主波束的輻射方向相同，因此這樣的寄生元件 稱之為導波元件，這是因為對驅動元件而言它具有牽引場型的效果。為了讓主波束更具 方向性，我們可藉由加入反射元件或導波元件來達成，也可以將反射元件與導波元件分 別放在驅動元件的兩邊，以加強主波束的方向性，如此簡單的架構與漂亮的輻射特性在 指向性天線的設計上運用極為廣泛。圖 4-3 所示為三個單元的八木天線，我們可以明顯 看出其主波束的輻射場型比起原本的半波長偶極天線更具方向性。

圖4-3 八木天線(a)架構(b)E場(XZ平面)輻射場型

接著要介紹一個實作出來的八木天線，參考文獻[17]。圖4-4(a)為文獻[17]所提的 八木天線架構，它是設計在印刷電路板上，包含了一個半波長偶極天線、一個導波元件 以及前端的輸入電路。前端輸入電路是由微帶線做饋入，再經過寬頻的平衡轉換器

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(balun)將微帶線轉換到共平面帶線(coplanar strip, CPS)。平衡轉換器是用來將九十 度訊號轉換為一百八十度訊號或者相反，我們都知道半波長偶極天線需要兩個相差一百 八十度的訊號源，即一正一負，但在微帶線輸入時卻是一正一地，也就是相位相差九十 度，因此需要平衡轉換器來做轉換。這個架構特別的地方在於它巧妙地利用截型微帶線 地平面當作八木天線的反射元件，如此八木天線的整體架構就都完成，它是一個緊密且 共平面的天線設計，在X頻帶上可量測到17%的頻寬，相當的寬頻，且這隻天線有著6.5dB 的天線增益。我們可以看圖4-4(b)的輻射場型，和預期一樣，主波束往地的另一邊輻射 出去，不但有18dB的前後比(front-to-back ratio)，指向性不錯，還有小於-15dB的交 叉極化(cross-polarization)，可說是設計良好的八木天線。

(a) (b)

圖4-4 微帶線饋入的寬頻八木天線(a)架構(b)輻射場型 (圖取材自參考文獻[17])

最後來看一個簡化饋入的改良式印刷八木天線的設計。上面所介紹的八木天線，是 利用微帶線轉共平面帶線的平衡轉換器。由於要另外設計平衡轉換器，不但會增加面積，

也會增加設計複雜度，還會因相位延遲線而使頻寬受到限制。因此文獻[18]就設計了一 個簡化饋入的八木天線，它由微帶線饋入，接著連接到一對平行的帶線(strip line)，

再接到半波長偶極天線，另外還有一個導波元件。它特別的地方是在於那一對平行的帶 線與偶極天線是分別設計在基板的兩端，可參考圖4-5。基板的一端是微帶線，接著其 中一條帶線，再連接偶極天線的一支，另外還加上了引向器，而另一端則是由截型的地

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平面連接到另一條帶線再連著偶極天線的另一支。這樣的設計，同樣是利用截型的地平

平面連接到另一條帶線再連著偶極天線的另一支。這樣的設計，同樣是利用截型的地平

在文檔中 二維無限波長多埠分波器與PIN 二極體控制切換波束天線之設計 (頁 58-0)