專欄文章

頻段之基站天線單元大部分仍以交叉偶極天線形式居多，透過天線正交擺放實現極化分集效果，該結構除了易達到寬頻段設計，天線埠間也能滿足高隔離度與低相關性需求，於此，將有助於多輸入多輸出天線系統之應用。

行動通訊基站天線系統從早期2G/3G/4G乃至於現今的5G通訊系統，為了要達到扇形區域網路涵蓋，基站天線會採用一維的線型陣列，藉此獲得水平向扇形波束(Fan Beam)之輻射場型，而垂直向場型則會因應不同的涵蓋距離與面積進行所需的天線陣列佈排，以達到通訊鏈路要求之天線增益值。另外，傳輸頻寬隨著通訊系統演進逐漸朝向多頻與寬頻發展，因此，天線系統的操作頻寬亦需要配合設計，以確保在不同載波頻率下都能獲得良好的傳輸效能。

目前如5G N77頻段，其操作頻段為3.3-4.2GHz，頻寬比大於24%，在天線單元設計上就需要選擇寬頻的結構，並且能同時滿足多輸入多輸出天線運作。微帶貼片天線(Micro-strip Patch Antenna)與交叉偶極天線(Cross Dipole Antenna)為常見構成基站天線系統之單元形式，兩者皆能產生正向(Boresight)的輻射場型。微帶貼片天線雖可達到微小化設計與高指向性場型等優勢，但整體阻抗頻寬絕大多數小於10%，一般來說，交叉偶極天線目前仍是基站端首選的天線型式。

如圖一所示為常見基站天線單元形式-交叉偶極天線，其組成包括一正交極化天線輻射體，一般為了天線輻射場型一致性，會將天線配置成+45°/-45°極化組合。該架構為類似六角形環型結構，具有兩個不同的環型尺寸做組合，並在末端處透過三角形結構做連接，以獲得良好的阻抗匹配頻寬。在饋源設計上會透過兩個正交極化饋入結構進行能量激發，一般常見的饋入結構為巴倫(Balun)，因偶極天線為平衡結構，需要透過一轉接結構將能量轉換至非平衡的同軸線輸出。此饋入結構為一對共平面帶線(Coplanar Stripline, CPS)轉接成微帶線所構成，共平面帶線一端連接偶極天線，另一端連接接地面，同時可當做微帶線之參考接地面。

圖一、交叉偶極天線設計架構與組成單元

在文獻中有另一種L型饋入結構被探討，可以透過印刷電路板製程與天線進行電性連接，最終再輔以同軸線達成能量饋入，可參考圖二所示。由於偶極天線的下方有一接地面，可作為天線的反射面用途，使得整體天線單元具有單一指向性場型，因此，可作為後續構成線型陣列天線之基礎。

圖二、L型饋入結構與交叉偶極天線單元之組成架構

參考資料

[1] Xin Liu, Yan Zhang, Ruizhe Jiang, Yinsen Luo, Jiantao Xiang, Yan Zhou” A Broadband Dual-Polarized Antenna Operating in 5G Frequency Band”, IEEE ISAP, 2019.

[2] C. Wu, S. Qiu, J. H. Qiu* and O. Denisov, “ A Wideband Dual-Polarized Dipole Antenna for 5G New Frequency Band Base Station”, IEEE ISAP, 2019.