專欄文章

相較於傳統式基站天線系統採用天線陣列構成高增益場型，另種可透過多層不同折射率之介質材料，並適當擺放於饋源天線前方達到場型聚焦效果，此類天線具有較低旁波瓣位準優勢，有助於實現多波束天線系統設計應用。

傳統上基站端使用天線單元所構成之線型陣列，欲透過天線單元場型與天線陣列場型相乘法則達到最終場型合成效果。此種天線形式雖可達到高增益場型目的，但往往會隨著天線單元的倍數增加，導致整體場型的旁波瓣數量與位準相對增加。因此，需要特別針對天線單元間的激發能量大小進行優化設計，避免在多細胞涵蓋應用上對鄰細胞造成干擾，影響整體通訊品質。此類天線較不適合設計太高增益之場型，因隨著天線單元個數增加會使得饋入網路設計更趨複雜，且饋入網路所造成的損耗將會大幅抵銷天線陣列所產生的增益值。

採用介質透鏡達到場型聚焦效果為另一種獲得高增益場型之方法，其做法為由若干層不同介電常數之材料所構成的介質球體，透過饋源天線適當擺放球體表面，使得天線所輻射出的電磁波在球體內部多次折射，藉此產生高增益、低旁波瓣之波束成型效果。如圖1所示為MATSING公司基於Luneburg Lens架構所發展之多波束天線系統，球體內部可透過不同饋源的擺設，使得天線能在特定傳播方向達到等相位波前，進而實現遠距離傳輸效果，目前此類天線方案已證實可應用於室外大型活動場景或室內體育館等網路擴容場域。

圖一、MATSING公司發展介質透鏡之基站天線產品

圖二為基於Luneburg Lens多層介質體之三波束天線內部結構，由於饋源天線可視為一點波源向外輻射，穿透到不同折射率之介質材料，使得電磁波每穿過一層介質即可將訊號導引至特定方向往外傳播。因此，所選用不同折射率的材料需要考慮電磁波光程條件與司乃耳定律(Snell's Law)要求，且透鏡介質材料之介電常數從外到內需呈現梯度變化。由於介質透鏡天線之饋源不需選用高增益場型，整體天線最終的聚焦場型將會被饋源的輻射場型決定之。因此，若選用低增益的饋源天線，相形之下，合成後的場型就能保有較低的旁波瓣位準(Side Lobe Level)。

圖二、基於Luneburg介質透鏡之饋源天線與場型合成關聯性

參考資料

[1] KEY CHARACTERISTICS OF MATSING BASE STATION ANTENNAS, [Online]. Available:  https://matsing.com/base-station.

[2] HSI-TSENG CHOU, YI-SHENG CHANG, HAO-JU HUANG, ZHI-DA YAN, TITIPONG LERTWIRIYAPRAPA, DANAI TORRUNGRUENG”Optimization of Three-Dimensional Multi-ShellDielectric Lens Antennas to Radiate Multiple Shaped Beams for Cellular Radio Coverage”,IEEE Access, 2019.