Y
Z X
Y
Z X
Y
Z
XY-plane
YZ-plane XZ-plane
(a)
(b) (c)
圖 3.15 三 頻 改 良 式 開 路 諧 振 環 單 極 天 線 2.45GHz 輻 射 場 型 (a)XY-plane (b)XZ-plane (c)YZ-plane
Total E-Phi E-Theta
X Y
Z X
Y
Z X
Y
Z
XY-plane
YZ-plane XZ-plane
(a)
(b) (c)
圖 3.16 三 頻 改 良 式 開 路 諧 振 環 單 極 天 線 3.50GHz 輻 射 場 型 (a)XY-plane (b)XZ-plane (c)YZ-plane
Total E-Phi E-Theta
X Y
Z X
Y
Z X
Y
Z
XY-plane
YZ-plane XZ-plane
(a)
(b) (c)
圖 3.17 三 頻 改 良 式 開 路 諧 振 環 單 極 天 線 5.25GHz 輻 射 場 型 (a)XY-plane (b)XZ-plane (c)YZ-plane
Total E-Phi E-Theta
X Y
Z X
Y
Z X
Y
Z
XY-plane
YZ-plane XZ-plane
(a)
(b) (c)
圖 3.18 三 頻 改 良 式 開 路 諧 振 環 單 極 天 線 5.80GHz 輻 射 場 型 (a)XY-plane (b)XZ-plane (c)YZ-plane
3.4 分集式天線(Diversity Antenna)
3.4.1 分集式技術(Diversity Technique)的簡介
分集式技術(diversity technique)廣泛的被使用在無線通訊系統中。在無 線通訊系統中，訊號從發射端送出後，訊號會進入到通道(空氣)中，所以若遇到 障礙物例如高樓、地板等，都會發生反彈；所以接收端也會收到這些經過到處反 彈的訊號非單純是從發射端直接到達接收端一條路徑(line of sight)而已，此 效應即為多重路徑衰落(multi-path fading)。只要是利用無線通訊來傳輸訊 號，多重路徑衰落的問題即一定會存在，而此問題會造成我們在接收端作訊號解 調判別時增加錯誤發生率，而分集式的接收可以降低多重路徑衰落所造成的影 響，也可在不多浪費功率和頻譜的條件下，減少錯誤發生率。
分集式技術(diversity technique)特色是傳送端傳送多個帶有相同資訊 (information)的訊號，接收端也可以收到多個來自同一發射端來的訊號，這些
(1)時間分集式-time diversity：傳送端利用多個時間槽(time slot)傳送 相同的訊息，每個時間槽必須相隔夠久，到達接收端的訊號才能盡量不相關；接 收端即可利用此些重複的訊息增加判別的正確性，但此方法會浪費多餘的時間傳 送相同的訊號，因此頻寬效率(bandwidth efficiency)會降低。
(2)頻率分集式-frequency diversity：傳送端利用多個頻率傳送相同的訊 息，每段頻率必須相隔夠遠，才能確保到達接收端的訊號彼此互相獨立；接收端
即可利用此些重複的訊息增加判別的正確性，但此方法會浪費多餘的頻寬傳送相 同的訊號，因此頻寬效率(bandwidth efficiency)也會降低。
(3)空間分集式-space diversity、antenna diversity：此方法是在前端放 置多根天線，天線彼此間要有適當的距離，使傳送或接收的訊號彼此間互相獨
3.4.2 空間分集式天線(Spatial Diversity)
圖3.19的Antenna1是3.3節中所設計的雙頻天線，Antenna2是直接複製 Antenna1並對稱的放置右邊，而port1/2的位置隨著後方電路切換器(switch)位 置而定。我們可藉由觀察port1/ 2的穿透係數(S21)來檢定其互相耦合的強度。
Port 2
frequency (GHz)
2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0
ret u rn loss (dB)
-35
圖3.20為圖3.19的S參數圖，此模擬圖是在por1和port2都接到50Ω時所得到 的結果。雖然反射損耗(S11)在2.4GHz~2.5GHz、3.4GHz~3.6GHz及5GHz~6GHz仍然 有低於-10dB，且在2.45GHz共振頻段port1和port2的穿透係數(S21)低於-15 dB；天線在此頻段的隔離效果很好，而在3.5GHz與5GHz的共振頻段中，A區域與B 區域穿透係數在-10Db左右，其他區域隔離效果(isolation)都還不錯。
在實際應用時，port1和port2會接到一個切換器(switch)上，若是系統判斷 選擇左邊的Antenna1來傳送或接收訊號，藉由切換器的切換，此時Antenna2的
而往往後端電路切換器的擺設位置會隨著不同電路佈線而不同，餽入線的長度也
return los s (dB)
-35
圖3.21 固定port1餽入長度，改變port2長度對port1反射損耗的模擬變動圖
3.4.3 實做與量測結果
圖3.22為圖3.19分集式天線模擬與實做量測頻率響應圖，操作頻寬以及絕緣 度都整理於表3-3，在隔離度方面在各操作頻段還可以維持在-13dB以下，圖3.23 為實體照片圖；因為左右兩隻天線的結構大小是一樣而對稱的，因此兩隻天線的 輻射場型為對稱的，所以吾人只量測左邊天線的輻射場型，如圖4.24到圖3.26，
各頻率的各平面最大增益和平均增益整理如表3-4。
frequency (GHz)
2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0
return loss (dB)
-35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5
return loss S11(measured) isolation S21(measured) return loss S11(simulated) isolation S21(simulated)
圖3.22 三頻分集式天線模擬與實做量測頻率響應圖
表3-3 空間分集式天線共振頻段、頻寬、以及隔離度整理
共振頻率(GHz) 2.32GHz~2.50GHz 3.19GHz~3.97GHz 5.05GHz~
頻寬 180MHz 780MHz 1GHz 絕緣度(S21) <-15Db <-13dB <-13dB
表3-4 空間分集式天線各頻率輻射場型的最大增益(peak gain)和平均增益 (average gain)
2.45GHz 3.50GHz
Peak gain Average gain Peak gain Average gain XY-plane 2.81dBi -4.65dBi 4.96dBi -0.57dBi XZ-plane -1.91dBi -4.56dBi 1.86dBi -2.20dBi YZ-plane 2.74dBi -2.38dBi 5.40dBi 0.86dBi
5.25GHz 5.80GHz
Peak gain Average gain Peak gain Average gain XY-plane 3.23dBi -3.18dBi 4.43dBi -3.06dBi XZ-plane -1.87dBi -2.59dBi 0.88dBi -2.69dBi YZ-plane 2.46dBi -1.78dBi 3.22dBi -0.65Bi
(a)
(b)
圖3.23 三頻空間分集式天線實體圖 (a)正面 (b)背面
Total E-Phi E-Theta
X Y
Z X
Y
Z
XY-plane
YZ-plane XZ-plane
(a)
(b) (c)
圖 3.24 2.45GHz 空 間 分 集 式 天 線 輻 射 場 型 (a)XY-plane (b)XZ-plane (c)YZ-plane
Total E-Phi E-Theta
X Y
Z X
Y
Z
XY-plane
YZ-plane XZ-plane
(a)
(b) (c)
圖 3.25 3.50GHz 空 間 分 集 式 天 線 輻 射 場 型 (a)XY-plane (b)XZ-plane (c)YZ-plane
Total E-Phi E-Theta
X Y
Z X
Y
Z
XY-plane
YZ-plane XZ-plane
(a)
(b) (c)
圖 3.26 5.25GHz 空 間 分 集 式 天 線 輻 射 場 型 (a)XY-plane (b)XZ-plane (c)YZ-plane
Total E-Phi E-Theta
X Y
Z X
Y
Z
XY-plane
YZ-plane XZ-plane
(a)
(b) (c)
圖 3.27 5.80GHz 空 間 分 集 式 天 線 輻 射 場 型 (a)XY-plane (b)XZ-plane (c)YZ-plane
從圖3.24到圖3.27的輻射場型圖為左邊天線的輻射場型，但利用空間分集所 設計的天線其輻射場型在實際操作上是具有互補性的，如圖4.11所示為分集式天 線各頻率在XY平面的互補輻射場型，各頻率的XY平面最大增益和平均增益整理如 表3-5。利用分集的方式設計天線讓左右兩支天線的輻射場型具有互補性的確讓 天線在平均增益方面獲得了明顯的改善，由表3-5可以知道在各頻率XY平面上互 補場型的平均增益比原本改善了約2dBi。
表3-5 空間分集式天線各頻率在XY平面上互補場型的最大增益(peak gain)和 平均增益(average gain)
2.45GHz 3.50GHz
Peak gain Average gain Peak gain Average gain XY-plane 3.53dBi -1.81dBi 5.25dBi 2.20dBi
5.25GHz 5.80GHz
Peak gain Average gain Peak gain Average gain XY-plane 3.23dBi -1.21dBi 4.43dBi -0.73dBi
2.45 GHz 3.50 GHz
(a) (a)
X Y
Z X
Y
Z
5.25 GHz 5.80 GHz
(c) (b)
圖3.28 分集式天線在XY平面各頻率的互補輻射場型 (a)2.45GHz (b)3.50GHz (c)5.25GHz (d)5.80GHz