專欄文章

毫米波頻段由於訊號傳播衰減大，因此，除了需要使用主動功率元件外，必需透過巨量天線來實現高增益傳輸，微帶貼片天線是常見構成毫米波天線陣列之單元形式，該結構具有低姿態與高增益特性，在應用上備受關注。

5G毫米波通訊系統由於需要克服該頻段之傳播衰減，因此，有必要提升整體系統運作之等效全向輻射功率值(Equivalent Isotropic Radiated Power, EIRP)，以達到符合該傳輸距離與涵蓋需求之通訊鏈路訊噪比規格。透過主動功率元件可用來提升傳輸訊號強度，但目前毫米波頻段之功率放大器元件仍面臨功耗過大與成本高昂等問題。因此，如何能有效利用天線陣列實現能量聚焦效果，會是最具成本效益之做法。毫米波頻段由於波長小，因此，天線所需的共振長度約小於1cm量級，在可接受的產品尺寸下容易實現巨量天線陣列設計。對於天線單元的選擇上則需要採用結構簡單且輻射模態易於掌控之架構，以便於同時兼顧合成場型與波束掃描特性。

如圖一所示為常見微帶貼片天線形式，一般而言，微帶貼片天線形狀以圓形或方形居多，其原因在於能透過數學模型去解析。然而，微帶貼片天線有幾項重要的設計考量，包括貼片天線大小與形狀、饋入方式以及基板厚度與介質係數等。微帶貼片天線亦有相關的設計參數可以做為分析評估，如公式(A)~(G)，包括貼片寬度(W_p)、貼片長度(L_p)、等效介質係數(ε_reff)、有效貼片長度(L_eff)，基板長度(L_s)與基板寬度(W_s)等參數計算，在不需借重全波模擬軟體分析下可作為設計參考。

另外，饋入方式除了從側邊饋入貼片外，亦可透過探針方式背饋貼片連接，或採用槽孔耦合貼片方式實現能量激發。因應不同的天線佈排、組裝方式以及後端電路整合便利性來選擇合適的饋入結構。

圖一、毫米波微帶貼片天線單元架構與饋入方式

圖二為使用微帶貼片天線單元組成1x4線型陣列天線架構，透過一分四功率分波器將能量饋入至天線端，以達到高增益設計功效。由於側饋貼片邊緣會有較高的阻抗特性，因此，並聯式功率分波器較易透過並聯方式轉成低阻抗，並可藉由漸變(Taper)方式將阻抗平緩轉換。

圖二、1x4毫米波微帶貼片天線陣列

圖三為1x4線型陣列天線之合成場型，可以觀察到在27GHz量測頻率下，其H-plane與E-plane波束寬角度分別約68°與20°，場型增益可達13dBi，屬於扇形波束(Fan Beam)場型，可適用於扇形服務細胞涵蓋。目前在5G毫米波通訊，不論在基站端或終端皆採用微帶貼片天線陣列，如5G終端裝置上所採用的高通AiP天線模組，即為四個微帶貼片天線所構成。而基站端所使用的波束成型收發晶片亦整合此架構於射頻前端電路上。

圖三、1x4毫米波微帶貼片天線陣列之H-plane

與E-plane輻射場型(27GHz)

參考資料

[1] Kifayatullah Bangash, M.Mahmood Ali, Husnul Maab, Hammad Ahmed, “Design of a Millimeter Wave Microstrip Patch Antenna and Its Array for 5G Applications”, 1^st ICECCE, 2019.