臺灣博碩士論文加值系統

本論文分別提出兩種應用於超薄筆記型電腦裝置中的 MIMO 天線。第一支MIMO 天線為操作於 WLAN / WiMAX 系統頻帶的三頻諧振式之 MIMO 天線設計，主要設計一組短路金屬隔離元件來增加隔離度，且該元件之低高度適用於需求小面積天線空間的超薄筆記型電腦裝置上。第二支 MIMO 天線為操作於 WLAN 系統雙頻帶之縮小化 MIMO 天線設計，其尺寸可小於以往 MIMO 天線尺寸之 40.0 %。主要是利用隔離元件中之四分之一波長的開路槽孔阻隔系統接地面的表面橫向電流，進而降低兩天線之間的電流耦合，而提升天線之間的隔離度。提出之兩種 MIMO 天線皆具有良好的輻射效率與阻抗匹配之表現。

Two MIMO antennas designed for laptop computers are proposed in this thesis. The first design is a triple-band MIMO antenna for WLAN/WiMAX applications which has a small size, especially has a low height. The isolation element of the MIMO antenna consists of three shorting strips between two antenna radiating elements. The second design is a dual-band MIMO antenna for WLAN applications. The antenna has a compact size and thickness suitable for ultra-thin notebook computers. The size of the designed antenna has been reduced to about 40.0 % compared to the size of the antennas published in the literatures recently. The designed isolation element consists of two open slots between the antenna radiating elements. The lengths of isolation elements are about the quarter-wavelength at resonant frequencies. The isolation elements block the horizontal surface currents on the system’s ground plane resulting in the reduction of the mutual coupling between the two source antennas. Therefore, the excellent isolation of the MIMO antennas can be achieved. Results show that both proposed MIMO antennas have good characteristics of antenna gain, radiation efficiency, and impedance matching in the bands of interest.

目錄

頁次
誌 謝 I
論文摘要 III
英文摘要 IV
目錄 V
圖目錄 VII
表目錄 XI
第一章 序論 1
1.1 研究背景 1
1.2 研究動機 1
1.3 文獻回顧 2
1.4 論文貢獻 15
1.5 論文內容架構 18
第二章 三頻諧振式之MIMO天線設計 20
2.1 概述 20
2.2 MIMO天線設計 21
2.3 隔離元件之各組成金屬線與MIMO天線隔離度之探討 26
2.4 隔離結構電流分佈特性分析 28
2.5天線設計的輻射特性 33
2.6本章結論 37
第三章 雙頻諧振型之小型化MIMO天線設計 38
3.1 概述 38
3.2 MIMO天線設計 38
3.3 隔離元件各型態與MIMO天線隔離度之關聯性 43
3.3.1各型態隔離元件之特性 43
3.3.2 各型態隔離元件之電流和電場分佈特性分析 45
3.4 天線設計的輻射特性 52
3.5 本章結論 52
第四章 結論 56
參考文獻 57
作者簡介 60
 
圖目錄
頁次
圖 2.1　本章筆記型電腦之 MIMO 天線設計圖 (單位: mm) ： (a) 整體配置圖；(b )右天線輻射元件 (Antenna 1)；(c) 左天線輻射元件 (Antenna 2)；(d) 隔離元件。 24
圖 2.2　模擬 Type 1、Type 2、Type 3 單支天線元件所得之反射損失圖。淡黃色為 WLAN 2.4 GHz 的頻率範圍，淡紫色為 WiMAX 3.5 GHz 的頻率範圍，淡藍色為WLAN 5.2 GHz/5.8 GHz 的頻率範圍。 25
圖 2.3　本章天線設計隔離結構的發展過程 （其中較深色部份為新增結構） (單位: mm) ： (a) Iso-type 1金屬線；(b) Iso - type 2金屬線；(c) Iso-type 3金屬線；(d) Proposed金屬線。 25
圖 2.4　模擬分別加入 Without Iso.、Iso-type 1 與 Iso-type 2 隔離結構之 MIMO 天線性能圖。淡黃色為 WLAN 2.4 GHz 的頻率範圍，淡紫色為 WiMAX 3.5 GHz 的頻率範圍，淡藍色為WLAN 5.2 GHz/5.8 GHz 的頻率範圍。 27
圖 2.5　分別加入 Iso-type 3 與 Proposed 隔離結構之 MIMO 天線性能圖。淡黃色為 WLAN 2.4 GHz 的頻率範圍，淡紫色為 WiMAX 3.5 GHz 的頻率範圍，淡藍色為WLAN 5.2 GHz/5.8 GHz 的頻率範圍。 27
圖 2.6　以 Proposed 做為天線隔離元件之 MIMO 天線於 2.45 GHz 之整體電流分佈 (a) 以 Antenna 1 為激發天線的電流分佈；(b) 以 Antenna 2 為激發天線的電流分佈。 29
圖 2.7　以 Proposed 做為天線隔離元件之 MIMO 天線於 3.5 GHz 之整體電流分佈 (a) 以 Antenna 1 為激發天線的電流分佈；(b) 以 Antenna 2 為激發天線的電流分佈。 30
圖 2.8　以 Proposed 做為天線隔離元件之 MIMO 天線於 5.5 GHz 之整體電流分佈 (a) 以 Antenna 1 為激發天線的電流分佈；(b) 以 Antenna 2 為激發天線的電流分佈。 31
圖 2.9　以 Proposed 做為天線隔離元件之 MIMO 天線之表面電流分佈局部放大圖。 (a) 在 2.45 GHz 以 Antenna 1 為激發天線；(b) 在 2.45 GHz 以 Antenna 2 為激發天線；(c) 在 5.5 GHz 以 Antenna 1 為激發天線；(d) 在 5.5 GHz 以 Antenna 2 為激發天線；(e) 在 3.5 GHz 以 Antenna 1 為激發天線；(f) 在 3.5 GHz 以 Antenna 2 為激發天線。 32
圖 2.10　啟碁科技公司 Satimo© 3D anechoic chamber ( Stargate 64 System) 33
圖 2.11　量測以及模擬本章所提出天線設計 Antenna 1 的四個激發模態共振頻率的正規化輻射場形圖： (a) f = 2.45 GHz；(b) f = 3.5 GHz；(c) f = 5.2 GHz；(d) f = 5.8 GHz。 34
圖 2.12　量測以及模擬本章所提出天線設計 Antenna 2 的四個激發模態共振頻率的正規化輻射場形圖： (a) f = 2.45 GHz；(b) f = 3.5 GHz；(c) f = 5.2 GHz；(d) f = 5.8 GHz。 35
圖 2.13　模擬與量測本章所提 MIMO 天線於操作頻帶內之輻射效率與增益: (a) Antenna 1；(b) Antenna 2。 36
圖 3.1　本章筆記型電腦之 MIMO 天線設計 (單位: mm) ： (a) 整體配置圖；(b) 右天線輻射元件 (Antenna 3)；(c) 左天線輻射元件 (Antenna 4)；(d) 隔離元件。 41
圖 3.2　本章天線設計的發展過程 (單位: mm) ： (a) Iso-type 1 金屬貼片；(b) Iso-type 2 開路槽孔；(c) Proposed 開路槽孔。 42
圖 3.3　模擬分別加入 Without Iso.、Iso-type 1 與 Iso-type 2 隔離結構之 MIMO 天線性能圖。淡黃色為 2.4 GHz 的頻率範圍，淡藍色為5.2/5.8 GHz 的頻率範圍。 43
圖 3.4　模擬與量測 Proposed 隔離結構之 MIMO 天線性能圖。淡黃色為 2.4 GHz 的頻率範圍，淡紫色為 3.5 GHz 的頻率範圍，淡藍色為5.2/5.8 GHz 的頻率範圍。 44
圖 3.5　以 Iso-type 1 做為天線隔離元件之 MIMO 天線之表面電流分佈 (a) 在 2.45 GHz 以 Antenna 3 為激發天線；(b) 在 2.45 GHz 以 Antenna 4 為激發天線；(c) 在 5.5 GHz 以 Antenna 3 為激發天線；(d) 在 5.5 GHz 以 Antenna 4 為激發天線。 47
圖 3.6　以 Iso-type 2 做為天線隔離元件之 MIMO 天線於 2.45 GHz (a) 以 Antenna 3 為激發天線的電流分佈；(b) 以 Antenna 4 為激發天線的電流分佈；(c) 以 Antenna 3 為激發天線的電場分佈。 48
圖 3.7　以 Iso-type 2 做為天線隔離元件之 MIMO 天線於 5.5 GHz (a) 以 Antenna 3 為激發天線的電流分佈；(b) 以 Antenna 4 為激發天線的電流分佈；(c) 以 Antenna 3 為激發天線的電場分佈。 48
圖 3.8　以 Proposed 做為天線隔離元件之 MIMO 天線於 2.45 GHz (a) 以 Antenna 3 為激發天線的電流分佈；(b) 以 Antenna 4 為激發天線的電流分佈；(c) 以 Antenna 3 為激發天線的電場分佈。 49
圖 3.9　以 Proposed 做為天線隔離元件之 MIMO 天線於 5.5 GHz (a) 以 Antenna 3 為激發天線的電流分佈；(b) 以 Antenna 4 為激發天線的電流分佈；(c) 以 Antenna 3 為激發天線的電場分佈。 49
圖 3.10　以 Proposed 做為天線隔離元件之 MIMO 天線於 2.45 GHz 整體電流分佈 (a) 以 Antenna 3 為激發天線的電流分佈；(b) 以 Antenna 4 為激發天線的電流分佈。 50
圖 3.11　以 Proposed 做為天線隔離元件之 MIMO 天線於 5.5 GHz 整體電流分佈 (a) 以 Antenna 3 為激發天線的電流分佈；(b) 以 Antenna 4 為激發天線的電流分佈。 51
圖 3.12　量測以及模擬本章所提出天線設計 Antenna 3 的三個激發模態共振頻率的正規化輻射場形圖： (a) f = 2.45 GHz；(b) f = 5.2 GHz；(c) f = 5.8 GHz。 53
圖 3.13　量測以及模擬本章所提出天線設計 Antenna 4 的三個激發模態共振頻率的正規化輻射場形圖： (a) f = 2.45 GHz；(b) f = 5.2 GHz；(c) f = 5.8 GHz。 54
圖 3.14　模擬與量測本章所提 MIMO 天線於操作頻帶內之輻射效率與增益: (a) Antenna 3；(b) Antenna 4。 55
 
表目錄
頁次
表 1.1　新增金屬線－諧振式 (1/2) 5
表 1.2　新增金屬線－諧振式 (2/2) 6
表 1.3　新增金屬線－中和線 (1/3) 7
表 1.4　新增金屬線－中和線 (2/3) 8
表 1.5　新增金屬線－中和線 (3/3) 9
表 1.6　耦合式結構 10
表 1.7　使用電感或二極體元件 11
表 1.8　使用EBG結構 12
表 1.9　使用正交結構 (1/2) 13
表 1.10 使用正交結構 (2/2) 14
表 1.11 本論文提出之天線輻射元件 16
表 1.12 本論文提出之隔離元件 17

[1]Wikipedia, the free encyclopedia, available at: http://en.wikipedia.org/wiki/IEEE_802.11
[2]Wikipedia, the free encyclopedia, available at: http://en.wikipedia.org/wiki/MIMO
[3]Wikipedia, the free encyclopedia, available at: http://en.wikipedia.org/wiki/WiMAX
[4]黃俊雄，”運用於WLAN/WiMAX行動通訊裝置之平面式單極天線設計”，碩士論文，大葉大學，2008.
[5]K. L. Wong, T. W. Kang, and M. F. Tu, “Internal mobile phone antenna array for LTE/WWAN and LTE MIMO operations,” Microw. Opt. Technol. Lett., vol. 53, no. 7, pp. 1569–1573, Jul. 2011.
[6]T. W. Kang and K. L. Wong, “Isolation improvement of 2.4/5.2/5.8 GHz WLAN internal laptop computer antennas using dual-band strip resonator as a wave trap,” Microw. Opt. Technol. Lett., vol. 52, no. 1, pp. 810–812, Jan. 2010.
[7]J. F. Li, and Q. X. Chu, “A compact wideband MIMO antenna with two novel bent slits,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 60, no. 2, pp. 482–489, Feb. 2012.
[8]K. L. Wong, H. J. Jiang, and Y. C. Kao, “High-isolation 2.4/5.2/5.8 GHz WLAN MIMO antenna array for laptop computer application,” Microw. Opt. Technol. Lett., vol. 52, no. 1, pp. 382–387, Feb. 2013.
[9]A. Diallo, C. Luxey, P. L. Thuc, R. Staraj, and G. Kossiavas, “Enhanced two-antenna structures for universal mobile telecommunications system diversity terminals,” IET Microw. Antennas Propag., vol. 2, no. 1, pp. 93–101, Feb. 2008.
[10]S. Park, and C. Jung, “Compact MIMO antenna with high isolation performance,” IET Electronic Lett., vol. 46, no. 6, pp. 390–391, Mar. 2010.
[11]S. W. Su, C. T. Lee, and F. S. Chang, “Printed MIMO-Antenna system using neutralization-line Technique for wireless USB-songle applications,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 60, no. 2, pp. 456–463, Feb. 2012.
[12]S. W. Su, and C. T. Lee, “Printed two monopole-antenna system with a decoupling neutralization line for 2.4-GHz MIMO applications,” Microw. Opt. Technol. Lett., vol. 53, no. 9, pp. 2037–2043, Sep. 2011.
[13]R. Addaci, A. Diallo, C. Luxey, P. L. Thuc, and R. Staraj, “Dual-band WLAN diversity antenna system with high port-to-port isolation,” IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters., vol. 60, no. 2, pp. 456–463, Feb. 2012.
[14]Z. Li, Z. Du, M. Takahashi, K. Saito, and K. Ito, “Reducing mutual coupling of MIMO antennas with parasitic elements for mobile terminals,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 60, no. 2, pp. 473–481, Feb. 2012.
[15]M. Hang, and J. Choi, “Small-size printed strip MIMO antenna for next generation mobile handset application,” Microw. Opt. Technol. Lett., vol. 53, no. 2, pp. 348–352, Feb. 2011.
[16]J. H. Lim, Z. J. Jin, C. W. Song, and T. Y. Yun, “Simultaneous frequency and isolation reconfigurable MIMO PIFA using PIN diodes,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 60, no. 12, pp. 5939–5946, Dec. 2012.
[17]C. C. Hsu, K. H. Lin, and H. L. Su, “Implementation of broadband isolator using metamaterial-inspired resonators and a t-shaped branch for MIMO antennas,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 59, no. 10, pp. 3936–3939, Oct. 2011.
[18]H. L. Su, C. C. Hsu, and K. H. Lin, “Dual-band insulator design by stacking capacitively loaded loops for MIMO antennas,” IET Electronic Lett., vol. 46, no. 20, pp. 1364–1365, Mar. 2010.
[19]Y. Ge, K. P. Esselle, and T. S. Bird, “Compact diversity antenna for wireless devices,” IET Electronic Lett., vol. 41, no. 2, pp. 52–53, Jan. 2005.
[20]S. H. Chae, S. K. Oh, and S. O. Park, “Analysis of mutual coupling, correlations, and TARC in WiBro MIMO array antenna,” IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters., vol. 6, pp. 122–125, Apr. 2007.
[21]Y. Li, Z. Zhang, J. Zheng, and Z. Feng, “Design of dual-polarized monopole-slot antenna with Small volume and high isolation, ” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 60, no. 5, pp. 2511–2514, May. 2012.
[22]Y. Li, Z. Zhang, J. Zheng, and Z. Feng, “Compact azimuthal omnidirectional dual-polarized antenna using highly isolated colocated slots,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 60, no. 9, pp. 4037–4045, Sep. 2012.
[23]Satimo Corporation Satimo© 3D anechoic chamber available at: http://www.satimo.com/content/products/sg-64