專欄文章

反射式陣列天線為一種結合拋物面天線與陣列天線之架構，透過相位分佈單元之補償，使得反射訊號在特定方向上達到同相位效果，藉此實現能量聚焦特性；另外，該結構同時保有平面化陣列天線易製作與輕薄等優勢。

對於行動通訊網路遠距離傳輸應用可行性，仍需仰賴於涵蓋區內的訊號強度能否符合該系統運作之訊噪比要求，實現的方式除了提升發射機發射功率外，亦可透過提高天線指向性來增加接收端功率值。然而，外加功率放大器元件來提升通訊產品EIRP(Effective Isotropic Radiated Power)值，除了有法規面限制議題外，亦會增加整個硬體元件成本。因此，如何透過高增益天線設計來提高系統SINR(Signal to Interference and Noise Ratio)值是現階段最具成本效益之作法。

目前有幾種實現高增益天線場型之設計架構，包括: (1)多個單元天線擺放所形成的天線陣列，透過單元天線場型與陣列因子之場型相乘法則，達到高指向性輻射場型應用；(2)利用電磁波遇到介質會穿透之特性，當饋源天線能量穿透多層介質材料，可產生不同的折射特性，藉由控制光程差達到主波束朝特定方向聚焦效果，相關運作原理已於前述專欄文章中說明；(3)利用電磁波遇到金屬面反射之特性，適當設計反射面大小或形狀，使得能量經由反射後能達到特定方向同相位效果，以獲得高指向性場型。

本專欄將進一步說明利用反射特性所衍生之高增益天線設計技術，傳統上，常見的反射天線以拋物面天線架構居多。主要是利用光學聚焦原理，將饋源放置於拋物面焦點上，從饋源所輻射的球面波在有限距離下，透過一次反射達到平面波效果，以實現遠距離無線傳輸。因此，需藉由拋物面曲率之設計，以補償電磁波不同入射角度反射後所造成之路徑差異。

由於反射面為曲面非平面，因此，在製作上曲率精確度不易控制，特別在高頻段應用，主波束合成角度之精細度將會受到製程限制所影響。有鑒於此，平面化反射式陣列主要是透過反射單元的分佈來補償電磁波反射後所造成的相位差異，如圖一所示為反射陣列天線架構圖，包括有饋源天線與相位分佈單元兩部分。

一般反射單元以微帶貼片形狀居多，或可利用偶極元件型式等架構來創造所需的相位變化，每個單元可視為被動式相移器元件。如圖二所示為文獻中探討利用多層微帶貼片大小分佈，以創造寬頻帶波束場型合成效果，使得相位變化曲線於不同頻率下保有一致性變化量。於此，有助於降低不同頻率場型合成之差異性，增進實務上之應用。

圖一、反射陣列天線架構圖

圖二、寬頻帶反射陣列天線之多層反射單元佈排

參考資料

[1] M. Hashim Dahri, M. R. Kamarudin, M. H. Jamaluddin, M. Inam, R. Selvaraju, “Broadband Resonant Elements for 5G Reflectarray Antenna Design”,TELKOMNIKA Telecommunication, Computing, Electronics and Control, 2017.

[2] Jose A. Encinar, J. Agustín Zornoza, “Broadband Design of Three-Layer Printed Reflectarrays＂, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2003.