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高增益天線設計力挺 大型基地台天線系統掀革新
新通訊 201710 月號 200 期《 技術前瞻 》
文.陳偉吉/陳正中/郭李瑞/許世勳
行動通訊發展迄今已逾二十餘年,由GSM/DCS(第二代行動通訊,簡稱2G)、3G,乃至於今日之4G LTE通訊等,而綜觀未來通訊的需求與發展,寬頻、高傳輸率的通訊技術將會形成主流。因此,增加系統容量與傳輸速率成為未來無線行動通訊系統必須優先發展的技術,而解決方案環環相扣,其中重要的技術發展為利用細胞規畫的方法,搭配適當的基地台天線輻射覆蓋,進一步將細胞切割為較小細胞來重複頻段之使用。為了達成這項目標,單一扇區多波束基地台天線之天線增益須獲得提升,限縮其輻射波束寬度(Beamwidth),減少多個天線輻射波束越區覆蓋的情況。
在本文中提供了三種提升天線增益之輔助性電磁元件設計,包括頻率選擇表面、電波導引器與透鏡結構,藉以降低多波束天線整合時的耦合效應,並控制其天線的輻射波束寬度,提升基地台天線系統整體效能。 

大型基地台天線 

在基地台之核心技術中,天線是一個核心的元件,它直接關聯通訊品質的優劣,它的使用方式亦直接攸關通訊系統架構的設計。在基地台天線的應用中,源於細胞規畫的電波覆蓋邏輯,天線的輻射波形及特性必須適度提供細胞所規畫之覆蓋區上的電波覆蓋,覆蓋區與覆蓋區間必須產生適度的區隔,使得頻率之重複使用得以在行動網路中適度應用來增加通訊容量。 

因此,天線的型態必須使用陣列天線來產生所需的輻射波形,天線單元數亦必須維持一定的數量來使得整個天線陣列的輻射特性能符合通訊之多重覆蓋需求,此類天線被稱之為「高增益天線」,在基地台應用中歸類為「大型基地台天線」。這些天線的特性要求遠高於一般習知之消費性產品的天線或AP(Access Point)之天線。如前述,此大型天線必須能符合電波覆蓋的需求、及實現通訊系統之相關技術,包括多頻、寬頻,實現多工分集之需求,此為大型基地台天線發展之趨勢。 

基地台天線系統演進 

大型基地台天線發展已久,從最早採用的全向性天線,歷經多個重要轉折點,現代的基地台天線多頻帶、多埠、極化分集、空間分集、波束分集多工等技術已成為主流。延續過去之基地台天線演進,近代基地台天線發展如圖1所示,圖1(a)為傳統之大型基地台布建架構,置於樓頂之大型基地台天線是經由大口徑的射頻饋纜連接至屋內機房的射頻與基頻模組,本架構除了布建條件嚴苛外,大多數的射頻訊號也會消耗在饋纜上,造成效率不彰。 

圖1 基地台天線系統演進
圖1(b)為基地台天線與遠端射頻頭端(Remote Radio Head, RRH)整合的架構,其想法是把射頻系統(功率放大器、濾波器、射頻收發機與控制單元等)從傳統的基站機房中拉出來,與基地台天線整合成主動式天線,大幅降低射頻訊號在饋纜上的損耗。 

RRH與天線可以根據容量規畫與需求布建在特定地方,系統可以通過布設多個RRH,藉由光纖上的高速傳輸(如通用的公共射頻介面(CPRI)訊號格式)連結主基地台,並共享基頻處理資源,形成能有效解決覆蓋和容量問題的通訊網路,RRH技術已被視為4G行動網路布建的重要技術。 

雖然在大部分RRH應用中,發射線性功率的上限多為5瓦,但將高功率的射頻前端電路移出機房置於嚴苛的戶外,將面臨散熱與線性度隨溫度巨幅變化的挑戰,此時發射端的功率放大器的效率與線性度特性將主導整個RRH的品質。 

圖1(c)為多波束基地台天線的示意圖,其架構是利用同一個基地台天線模組,同時發射多個互相不干擾且波束寬度縮小的水平波束,個別波束因應較小的覆蓋區,達成基地台的細胞切割(Sectorization)。自1990年代之後,細胞切割是增加無線通訊容量與基站數目最重要的技術,未來針對特定高流量的戶外基地台應用(High Capacity Hot Zone),如大型體育場、高密度大樓之街道等,如何利用創新的天線設計,針對特定區間,同時提供多個高增益的正交波束,大幅增加整個基地台的容量(Cell Capacity),已成為各大電信設備商與基地台天線商的投入研發資源的目標。 

輔助性電磁元件加持  天線增益效能提升 

然而在天線設計實現上,水平維度使用了陣列天線結構來縮小波束,意味著天線的體積大幅增加,尤其在覆蓋細胞數增加後,其所需的天線數又同步增加。假如細胞切割數N,則天線整體體積的增加倍數為N平方倍,此平方倍數的成長所牽涉的不僅是成本的問題,尚包括因多個波束越區覆蓋導致之天線相互影響的問題,為此必須縮小其個別水平波束寬度,同時提高天線指向性特性。 

欲提升天線增益性能與限縮水平波束寬度須利用輔助性電磁元件,其中包括頻率選擇表面(Frequency Selective Surface, FSS)、電波導引器(Wave Director)及透鏡結構(Dielectric Lens)等,目標在於產生較高的天線增益,一則讓多天線整合時降低相關的耦合效應,二則控制天線的輻射波束,兩者之目標一致,均希望在多排天線機構中,每個天線埠均能產生獨立不受耦合干擾之波束,讓天線在使用時能夠具備原來規畫之輻射特性。 

・頻率選擇表面

頻率選擇表面為一電磁週期性結構,具備空間濾波功能,可為低頻通過濾波器(Low Pass Filter)、或為高頻通過濾波器(High Pass Filter)。以高通濾波器而言,其結構對於高頻電磁波可自由通過,宛如結構不存在;對於低頻電磁波宛如一個金屬屏蔽結構,完全無法通過,其基本形式與頻率響應示意圖如圖2所示。我們可以針對所需的電磁特性去設計頻率選擇表面之結構,來得到特定的頻率響應。 

圖2 頻率選擇表面之基本圖形(a)電容性(b)電感性(c)共振式網格結
因此在基地台天線設計中,頻率選擇表面的功能至少有三,一為增加天線與天線間之隔離度,依其頻率需求而使用高通或低通或者帶通結構;二為增加反射板的自由度,此應用在高低頻陣列單元共存時效用相當大,亦即利用反射板來調整波束寬及前後比時可以擺脫高低頻結構連動影響之電磁問題;三為應用於設計脫耦合之天線單元,尤其是低頻天線單元,其方式乃是利用低頻時頻率選擇表面形成金屬屏蔽,因此可以形成天線的輻射體的一部分,而在高頻時其結構為Pass Band,因此對於高頻天線的輻射不會形成耦合,可以降低對高頻天線輻射波形之干擾,使高頻陣列天線之輻射波形可以保持其完整性。頻率選擇表面之使用可以將原本波束寬較寬的天線場型集中,產生波束寬較窄的天線場型,同時增益值也會跟著變高。 

・電波導引器 

電波導引器係在天線單元上設有輔助性結構,此結構可提升天線增益。亦即在原天線單元面與導引器之內的區域形成波導效果,利用電磁波在結構中的傳播會產生相位變化,當相位變化對於天線輻射產生建設性干涉影響時,天線輻射場型將會產生聚焦效果,一則提升增益及調適天線之波束寬、一則降低此天線受到其他相鄰天線之干擾。因此在多排並列、單獨操作之陣列天線及高低頻並列之陣列天線,均可藉以減少彼此之耦合,提升天線輻射的獨立性。以金屬製成之電波導引器為窄頻結構,最習為人知的應用為Yagi天線,其為方向性天線,利用一個尺寸較大的金屬置放在激發天線的後方當作反射板,再放置尺寸較短的金屬當作金屬波導,使得整體天線的指向性可以增加進一步提高增益值,圖3即為利用電波導引器增加天線增益之實例。 

圖3 利用電波導引器增加天線增益實例
・透鏡結構  

與電波導引器之角色相同,介電透鏡之目的亦是與天線單元振子的結合來增加其輻射方向性。此透鏡完全由介電材料建構,設計方式需要考慮等光程條件與司乃耳定律(Snell's Law)的要求,來達到所需的波束集中特性,其設計變數包含了介質的介電常數、外型尺寸、內部結構以及體積的大小等等。當此透鏡與天線振子結合後,會導引輻射電波經由透射的原理在其結構中傳播,因此可將電波由天線導引至透鏡外側,進一步改變其衍生之相位差,達到方向性與增益值提升等等特性。透鏡結構亦可整合天線罩功能,可以發揮調整波束寬、降低旁波束等效益。介電透鏡結構之頻寬較前述電波導引器來得寬,適用於寬頻天線結構設計,圖4即為利用Fresnel Lens結構縮小水平(X軸)波束寬度實例。 

圖4 利用Fresnel Lens結構縮小水平(X軸)波束寬度實例
本文說明了大型基地台天線的重要性以及近代基地台天線系統發展演進,從中可了解到多波束天線在特定高流量的戶外基地台應用中更能提昇頻譜使用效率增加資料吞吐量;此外,亦分析了三種提升基地台天線增益並限縮其水平波束寬度之設計原理,其中包含頻率選擇表面、電波導引器與透鏡結構設計,藉由這些方法使得單一扇區內的多個天線輻射波束越區覆蓋的情況得以改善,進而提升基地台天線系統整體效能。 

(本文作者陳偉吉、陳正中任職於工研院資通所;郭李瑞、許世勳任職於譁裕實業)

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