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系統識別號 U0002-0508201415125900
中文論文名稱 一種應用非對稱結構提升MIMO天線隔離度的研究
英文論文名稱 A Research of Improving MIMO Antenna Isolation by the Use of Non-symmetrical Structure
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 電機工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Electrical Engineering
學年度 102
學期 2
出版年 103
研究生中文姓名 邱恩農
研究生英文姓名 En-Nung Chiu
電子信箱 justin74185296@livemail.tw
學號 601440257
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2014-07-10
論文頁數 78頁
口試委員 指導教授-李慶烈
委員-張知難
委員-丘建青
中文關鍵字 隔離度  非對稱結構天線  雙頻  多輸入多輸出天線 
英文關鍵字 dual-band  non-symmetrical-structure  MIMO-antenna 
學科別分類 學科別應用科學電機及電子
中文摘要 針對一個小型行動裝置的MIMO天線(e.g.2X2),在空間有限的情況下,本論文提出一種雙頻的MIMO天線,且利用非對稱的結構來提高其隔離度的設計。 此MIMO天線由兩個具有類似結構(但有差異)的天線元件組成,天線元件的結構為一個以偶極天線當負載的狹縫(slit),其中激發槽狹縫將負責高頻帶(5GHz-6GHz)的輻射,偶極負載則負責低頻帶(2.4GHz)的輻射,另一個天線元件則反其道而行,其激發狹縫負責低頻帶的輻射,偶極負載則負責高頻帶的輻射。
本論文針對厚度為0.8mm的FR4基板(相對介電係數為4.4)進行天線設計,模擬與實驗結果皆顯示,此一創新結構將可使隔離度更加提升(相較於對稱結構),其原因在於負責相同頻率輻射的兩個天線輻射體,具有不同的幾何結構(分別為狹縫及偶極金屬導線),導致輻射體之間的互耦量減少之故;此外,針對此一雙頻的MIMO天線,吾人使用一種系統化的天設計流程,此一流程是結合了直交表(orthogonal array; OA)和響應表面模型(response surface modeling ; RSM)的技術,非常適合針對此一非對稱高隔離度MIMO天線進行優化設計。
英文摘要 For the design of MIMO antennas (2x2 for examples) of a small mobile device with limited space, this thesis proposes a dual-band MIMO antenna design, and the use of non-symmetrical structure to improve the isolation of the elements. The proposed MIMO antenna consists of two similar (but yet different) elements. Both elements are in the form of the slit loaded with a dipole antenna. For one element the slit is responsible for the high-band (5GHz-6GHz) radiation, and the dipole is responsible for the low-band (2.4GHz) radiation. For the other element, the design logic is the opposite, of which the slit is responsible for the low-band (2.4GHz) radiation, and the dipole is responsible for the high-band (5GHz-6GHz) radiation.

In this thesis, the above MIMO antenna is assumed to reside on an FR4 board of the thickness of 0.8mm (relative dielectric constant of 4.4). Both simulated and experimental results show that the innovative structure can improve the isolation (as compared to the symmetric structure). Since the antenna radiators that are responsible the same frequency band have different geometries, and they are slit and dipole wire, respectively, such that the mutual coupling between them is reduced. Furthermore, for the proposed dual-band MIMO antenna, a systematic scheme is employed to carry out the antenna design instead of trial and error. The design scheme utilizes both the technology of orthogonal array (OA) and response surface model (RSM) and is well suited for the optimization design process to achieve the high isolation for the asymmetric MIMO antenna.
論文目次 目錄
中文摘要 I
英文摘要 II
第一章 序論 1
1.1 簡介 1
1.2 研究背景與主要貢獻 1
1.3 論文架構 5
第二章 以非對稱結構提升MIMO天線隔離度之設計 6
2.1 連續直交表 (Consecutive Orthogonal Arrays, COAs) 6
2.2 改良式田口最佳化法 11
2.3對稱結構距20mm V.S. 非對稱結構距20mm的比較 13
2.4對稱結構距5mm V.S. 非對稱結構距5mm的比較 30
2.5 對稱結構距1mm V.S. 非對稱結構距1mm的比較 45
第三章 天線反射係數之量測比較 53
第四章 結論 75
參考文獻 78

圖目錄
圖2.1 田口最佳化法流程圖 9
圖2.2改良田口最佳化法流程圖 12
圖2.3 小型WLAN雙頻天線 15
圖2.4小型WLAN雙頻天線的修改結構(以改良式田口法優化).15
圖2.4-1將2支小型天線擺放在一起形成雙頻MIMO天線 15
圖2.4-2改變結構之WLAN雙頻天線 S11 參數 模擬圖 16
圖2.5 對稱結構(間距20mm)MIMO天線 16
圖2.6非對稱結構(間距20mm)MIMO天線及參數 16
圖2.7 對稱結構(間距20mm)MIMO天線之S參數模擬圖 17
圖2.8 非對稱結構(間距20mm)MIMO天線之S參數模擬圖 17
圖2.9 非對稱結構(間距20mm)MIMO天線第三次迭代優化解之
S11 變化圖 18
圖2.10非對稱結構(間距20mm) MIMO天線第三次迭代優化解之
S21變化圖 18
圖2.11 非對稱結構(間距20mm)MIMO天線第三次迭代之
S22變化圖 19
圖2.12 非對稱結構(間距20mm)MIMO天線第三次迭代優化解之
S參數模擬圖 19
圖2.13 對稱結構(間距20mm)MIMO天線之 電流分佈圖
(頻率為2.4GHz) 20
圖2.14 對稱結構(間距20mm)MIMO天線之 電流分佈圖
(頻率為5.2GHz) 20
圖2.15 對稱結構(間距20mm)MIMO天線之 電流分佈圖
(頻率為5.8GHz) 21
圖2.16非對稱結構(間距20mm)MIMO天線第三次迭代優化解之
電流分佈圖(頻率為2.4GHz) 21
圖2.17 非對稱結構(間距20mm)MIMO天線第三次迭代優化解之
電流分佈圖(頻率為5.2GHz) 22
圖2.18 非對稱結構(間距20mm)MIMO天線第三次迭代優化解之
電流分佈圖(頻率為5.8GHz) 22
圖2.19非對稱結構(間距20mm) 第三次迭代之輻射場型H-Plane
(X-Z平面) 模擬實測比較圖(頻率為2.4GHz)只激發port1 23
圖2.20 非對稱結構(間距20mm) 第三次迭代之輻射場型E-Plane
(Y-Z平面) 模擬實測比較圖(頻率為2.4GHz) 只激發port1 23
圖2.21非對稱結構(間距20mm) 第三次迭代之輻射場型H-Plane
(X-Z平面) 模擬實測比較圖(頻率為5.2GHz) 只激發port1 24
圖2.22非對稱結構(間距20mm) 第三次迭代之輻射場型E-Plane
(Y-Z平面) 模擬實測比較圖(頻率為5.2GHz) 只激發port1 24
圖2.23非對稱結構(間距20mm) 第三次迭代之輻射場型H-Plane
(X-Z平面) 模擬實測比較圖(頻率為5.8GHz) 只激發port1 25
圖2.24非對稱結構(間距20mm) 第三次迭代之輻射場型E-Plane
(Y-Z平面) 模擬實測比較圖(頻率為5.8GHz) 只激發port1 25
圖2.25非對稱結構(間距20mm) 第三次迭代之輻射場型H-Plane
(X-Z平面) 模擬實測比較圖(頻率為2.4GHz) 只激發port2 26
圖2.26非對稱結構(間距20mm) 第三次迭代之輻射場型E-Plane
(Y-Z平面) 模擬實測比較圖(頻率為2.4GHz) 只激發port2 26
圖2.27非對稱結構(間距20mm) 第三次迭代之輻射場型H-Plane
(X-Z平面) 模擬實測比較圖(頻率為5.2GHz) 只激發port2 27
圖2.28非對稱結構(間距20mm) 第三次迭代之輻射場型E-Plane
(Y-Z平面) 模擬實測比較圖(頻率為5.2GHz) 只激發port2 27
圖2.29非對稱結構(間距20mm) 第三次迭代之輻射場型H-Plane
(X-Z平面) 模擬實測比較圖(頻率為5.8GHz) 只激發port2 28
圖2.30非對稱結構(間距20mm)第三次迭代之輻射場型E-Plane
(Y-Z平面) 模擬實測比較圖(頻率為5.8GHz) 只激發port2 28
圖2.31 對稱結構5mm天線 31
圖2.32 非對稱(間距5mm) 天線及參數 32
圖2.33 對稱結構(間距5mm) 之 S 參數模擬圖 32
圖2.34 非對稱結構(間距5mm) 之 S 參數模擬圖 33
圖2.35 非對稱結構(間距5 mm)MIMO天線經五次迭代優化後之
S11變化圖 33
圖2.36非對稱結構(間距5mm)MIMO天線經五次迭代優化後之
S21變化圖 34
圖2.37非對稱結構(間距5mm)MIMO天線經五次迭代優化後之
S22 變化圖 34
圖2.38 非對稱結構(間距5 mm)MIMO天線第五次迭代優化解之
S參數 模擬圖 35
圖2.39 對稱結構(間距5mm)MIMO天線之電流分佈圖
(頻率為2.4GHz) 35
圖2.40 對稱結構(間距5mm)MIMO天線之電流分佈圖
(頻率為5.2GHz) 36
圖2.41 對稱結構(間距5mm)MIMO天線之電流分佈圖
(頻率為5.8GHz) 36
圖2.42 非對稱結構(間距5mm)MIMO天線第五次迭代優化解之
電流分佈圖(頻率為2.4GHz) 37
圖2.43 非對稱結構(間距5mm)MIMO天線第五次迭代優化解之
電流分佈圖(頻率為5.2GHz) 37
圖2.44 非對稱結構(間距5mm)MIMO天線第五次迭代優化解之
電流分佈圖(頻率為5.8GHz) 38
圖2.45非對稱結構(間距5mm)MIMO天線第五次迭代優化解之輻射 場型H-Plane(X-Z平面) 模擬實測比較圖(頻率為2.4GHz)只
激發port1 38
圖2.46非對稱結構(間距5mm)MIMO天線第五次迭代優化解之輻射 場型E-Plane(Y-Z平面) 模擬實測比較圖(頻率為2.4GHz) 只
激發port1 39
圖2.47非對稱結構(間距5mm)MIMO天線第五次迭代優化解之輻射場型H-Plane(X-Z平面) 模擬實測比較圖(頻率為5.2GHz) 只
激發port1 39
圖2.48非對稱結構(間距5mm)MIMO天線第五次迭代優化解之輻射場型E-Plane(Y-Z平面) 模擬實測比較圖(頻率為5.2GHz) 只
激發port1 40
圖2.49非對稱結構(間距5mm)MIMO天線第五次迭代優化解之輻射場型H-Plane(X-Z平面) 模擬實測比較圖(頻率為5.8GHz) 只
激發port1 40
圖2.50非對稱結構(間距5mm)MIMO天線第五次迭代優化解之輻
射場型E-Plane(Y-Z平面) 模擬實測比較圖(頻率為5.8GHz)只
激發port1 41
圖2.51非對稱結構(間距5mm)MIMO天線第五次迭代優化解之輻
射場型H-Plane(X-Z平面) 模擬實測比較圖(頻率為2.4GHz)只
激發port2 41
圖2.52非對稱結構(間距5mm)MIMO天線第五次迭代優化解之輻
射場型E-Plane(Y-Z平面) 模擬實測比較圖(頻率為2.4GHz)只
激發port2 42
圖2.53非對稱結構(間距5mm)MIMO天線第五次迭代優化解之輻
射場型H-Plane(X-Z平面) 模擬實測比較圖(頻率為5.2GHz)只
激發port2 42
圖2.54非對稱結構(間距5mm)MIMO天線第五次迭代優化解之輻
射場型E-Plane(Y-Z平面) 模擬實測比較圖(頻率為5.2GHz)只
激發port2 43
圖2.55非對稱結構(間距5mm)MIMO天線第五次迭代優化解之輻
射場型H-Plane(X-Z平面) 模擬實測比較圖(頻率為5.8GHz)只
激發port2 43
圖2.56非對稱結構(間距5mm)MIMO天線第五次迭代優化解之輻
射場型E-Plane(Y-Z平面) 模擬實測比較圖(頻率為5.8GHz)只
激發port2 44
圖2.57 對稱結構(間距1mm)MIMO天線 46
圖2.58 非對稱結構(間距1mm)MIMO天線及參數 47
圖2.59 對稱結構(間距1mm)MIMO天線之 S 參數模擬圖 47
圖2.60 非對稱結構(間距1mm)MIMO天線之 S 參數模擬圖 48
圖2.61 非對稱結構(間距1mm)MIMO天線第五次迭代優化解之
S11變化圖 48
圖2.62 非對稱結構(間距1mm)MIMO天線第五次迭代優化解之
S21變化圖 49
圖2.63 非對稱結構(間距1mm)MIMO天線第五次迭代優化解之
S22 變化圖 49
圖2.64 對稱結構(間距1mm)MIMO天線之電流分佈圖
(頻率為2.4GHz) 50
圖2.65 對稱結構(間距1mm)MIMO天線之電流分佈圖
(頻率為5.2GHz) 50
圖2.66 對稱結構(間距1mm)MIMO天線之電流分佈圖
(頻率為5.8GHz) 51
圖2.67 非對稱結構(間距1mm)MIMO天線第五次迭代優化解之
電流分佈圖(頻率為2.4GHz) 51
圖2.68 非對稱結構(間距1mm)MIMO天線第五次迭代優化解之
電流分佈圖(頻率為5.2GHz) 52
圖2.69非對稱結構(間距1mm)MIMO天線第五次迭代優化解之
電流分佈圖(頻率為5.8GHz) 52
圖3.1對稱結構(間距20mm) MIMO天線之S參數實際測量圖 55
圖3.2對稱結構(間距20mm) MIMO天線之 S11實際模擬
比較圖 55
圖3.3對稱結構(間距20mm) MIMO天線之S21實際模擬
比較圖 56
圖3.4對稱結構(間距20mm) MIMO天線之S22實際模擬
比較圖 56
圖3.5 對稱結構(間距20mm) MIMO天線實體圖 57
圖3.6非對稱結構(間距20mm)MIMO天線之S參數實際量測圖 57
圖3.7非對稱結構(間距20mm)MIMO天線之S11實際模擬
比較圖 58
圖3.8非對稱結構(間距20mm)MIMO天線之S21實際模擬
比較圖 58
圖3.9非對稱結構(間距20mm)MIMO天線之S22實際模擬
比較圖 59
圖3.10非對稱結構(間距20mm)MIMO天線實體圖(尚未優化) 59
圖3.11非對稱結構(間距20mm)MIMO天線第三次迭代優化解
實際量測圖 60
圖3.12非對稱結構(間距20mm) MIMO天線第三次迭代優化解
S11實際模擬比較圖 60
圖3.13非對稱結構(間距20mm)MIMO天線第三次迭代優化解
S21實際模擬比較圖 61
圖3.14非對稱結構(間距20mm)MIMO天線第三次優化解之
S22實際擬比較圖 61
圖3.15對稱結構(間距5mm)MIMO天線實體圖 62
圖3.16對稱結構(間距5mm)MIMO天線S參數實際量測圖 62
圖3.17對稱結構(間距5mm)MIMO天線 S11實際模擬比較圖 63
圖3.18對稱結構(間距5mm)MIMO天線S21實際模擬比較圖 63
圖3.19對稱結構(間距5mm)MIMO天線S22實際模擬比較圖 64
圖3.20非對稱結構(間距20mm)MIMO天線第三次迭代優化解之
天線實體圖(經優化) 64
圖3.21非對稱結構(間距5mm) MIMO天線S參數實際量測圖 65
圖3.22非對稱結構(間距5mm)MIMO天線S11實際模擬比較圖 65
圖3.23非對稱結構(間距5mm)MIMO天線S21實際模擬比較圖 66
圖3.24非對稱結構(間距5mm)MIMO天線S22實際模擬比較圖 66
圖3.25 非對稱(間距5mm)MIMO天線實體圖(尚未優化) 67
圖3.26非對稱結構(間距5mm)MIMO天線第五次迭代優化解之
S參數實際量測圖 67
圖3.27非對稱結構(間距5mm)MIMO天線第五次迭代優化解之
S11實際模擬比較圖 68
圖3.28非對稱結構(間距5mm)MIMO天線第五次跌代優化解
S21實際模擬比較圖 68
圖3.29非對稱結構(間距5mm)MIMO天線第五次迭代優化解之
S22實際模擬比較圖 69
圖3.30非對稱結構(間距5mm)MIMO天線第五次優化解之天線
實體圖(經優化) 69
圖3.31對稱結構(間距1mm)MIMO天線S參數實際量測圖 70
圖3.32對稱結構(間距1mm)MIMO天線之S11實際模擬比較圖 70
圖3.33對稱結構(間距1mm)MIMO天線之S21實際模擬比較圖 71
圖3.34對稱結構(間距1mm)MIMO天線之S22實際模擬比較圖 71
圖3.35對稱結構(間距1mm)MIMO天線之實體圖 72
圖3.36非對稱結構(間距1mm)MIMO天線之S參數實際量測圖 72
圖3.37非對稱結構(間距1mm)MIMO天線之S11實際模擬
比較圖 73
圖3.38非對稱結構(間距1mm)MIMO天線之S21實際模擬
比較圖 73
圖3.39非對稱結構(間距1mm)MIMO天線之S22實際模擬
比較圖 74
圖3.40 非對稱結構(間距1mm)MIMO天線之實體圖 74













表目錄
表2.1 直交表OA (27,9,3,2) 8
表2.2非對稱結構20mm第三次迭代之參數最佳解 29
表2.3非對稱結構(間距5mm)MIMO天線第五次迭代優化解之參
數 44
表4.1 非對稱結構與對稱結構在不同間距下的MIMO天線之
S21 76





參考文獻 參考文獻
[1] G. J. Foschini, “Layered space-time architecture for wireless communication in a fading environment when using multi-element antennas,” Bell Labs Tech J., vol. 1, no. 2, pp. 41–59, 1996.

[2] J. W.Wallace, M. A. Jensen, A. L. Swindlehurst, and B. D. Jeffs, “Experimental
characterization of the MIMO wireless channel: Data acquisition and analysis,” IEEE Trans. Wireless Commun., vol. 2, pp. 335–343, Mar. 2003.

[3] Wireless LAN specification to provide significantly improved data throughput and range, The IEEE Standard Association [Online]. Available:
http://standards.ieee.org/announcements/ieee802.11n_2009amend-ment_ratified.html

[4] F. Chang, “Printed MIMO-Antenna System Using Neutralization-Line Technique for Wireless USB-Dongle Applications,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 60, no. 2, pp. 456-463, 2012.

[5] Z. Li and Y. Rahmat-Samii, “Optimization of PIFA-IFA combination in handset antenna designs,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 53, pp. 1770–1778, May 2005.

[6] K.-C. Chim, K. C. L. Chan, and R. D. Murch, “Investigating the impact of smart antennas on SAR,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 52, pp. 1370–1374, May 2004.

[7] M. Geissler, D. Heberling, and I. Wolff, “Properties of integrated handset antennas,” presented at the Millennium Conf. Antennas Propag., Davos, Switzerland, April 2000, SP-444, session 5A5, unpublished.

[8] O. Kivekas, J. Ollikainen, T. Lehtiniemi, and P. Vainikainen, “Effect of the chassis length on the bandwidth, SAR, and efficiency of internal mobile phone antennas,” Microwave Opt. Technol. Lett., vol. 36, no. 6, pp. 457–462, Mar. 20, 2003.

[9] Diallo A., Luxey C., Le Thuc P., Staraj R., Kossiavas G., “Study and reduction of the mutual coupling between two mobile phone PIFAs operating in the DCS1800 and UMTS bands”, IEEE Trans. on Ant. and Prop. Volume 54, Issue 11, Part 1, Nov. 2006, pp.3063 – 3074.


[10]A Printed MIMO Antenna System with CLLs for Isolation Enhancement Ahmed B. Numan, OualidHammi and Mohammad S. Sharawi, 2013 7th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP), Date of Conference, pp. 2012-2015, 8-12 April 2013.

[11] D. Gesbert, S. Mansoor, S. Da-shan, P. J. Smith, and A. Naguib, “From theory to practice: An overview of MIMO space-time coded wireless systems,” IEEE J. Sel. Areas Commun., vol. 21, no. 3, pp. 281-302, Apr. 2003.

[12] M. Han and J. Choi, “Multiband MIMO antenna with a band stop filter for high isolation characteristics,” Antennas and Propagation Society International Symposium, 2009, pp. 1-4.

[13] W. K. Kahn, “Ideal efficiency of a radiating element in an infinite array,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. AP-15, no. 4, Jul. 1967.

[14] A. C. K. Mak, C. R. Rowell, and R. D. Murch, “Isolation enhancement between two closelypacked antennas,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 56, no. 11, pp. 411–3419, Nov. 2008.
[15] 倪嘉麟”一種結合直交表與響應表面模型於天線設計的創新方法”碩士論文 2012年6月
[16] 林文彥”符合IEEE 802.16e-2005標準的移動式WiMAX多頻帶(2.4-6GHz)小型天線的設計” 碩士論文 2004年 6月
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