專欄文章

毫米波頻段由於波長短，天線結構相對有較小的物理尺寸，在天線設計上除了控制輻射場型分佈之外，該場型方向上之輻射效率亦為重要的關鍵指標，本專欄將探討不同天線基材特性對毫米波天線效能運作之影響。

5G FR2毫米波頻段之射頻前端零組件相較於FR1 Sub-6GHz操作，目前仍需付出昂貴的硬體成本，對於國外運營商而言，毫米波網路初期佈建較為成功的商業模式仍以固定無線接取(Fixed Wireless Access, FWA)技術應用居多。然而，有賴於毫米波頻段具大頻寬與低延遲特性，運營商在導入上不在僅僅是一個B2C大網的傳輸容量應用，許多B2B企業專網所衍生的低延遲垂直應用也逐漸被納入。

由於毫米波射頻前端晶片技術門檻高，目前可以商用的廠家不多，因此，毫米波設備不論在元件或模組上，成本上仍為供應商所主導。另外，由於射頻前端電路乃至於天線本體，為了要滿足優良的傳輸效能與輻射效率，高頻基材的選擇與特性需更加重視，以確保訊號傳遞上能有最低的衰減量。

本專欄將進一步探討不同基材特性對於天線效能參數，包括阻抗頻寬、天線增益與輻射效率之影響。文獻中探討一款應用於毫米波28GHz頻段之 2x2微帶貼片天線陣列，如圖一所示，利用印刷電路板製程成型於不同基材上，並進一步分析基板介電特性與天線效能指標之關聯性。

圖一、毫米波2x2微帶貼片天線陣列結構

表一所示為五款基材種類之介質係數(εr)與損耗正切(tanδ)數值，特別在毫米波頻段，需要提高天線增益來彌補空氣中傳播損耗，並且天線工作頻寬要滿足系統規格要求，因此，基材在選擇上需要同時滿足這兩種效能指標需求。表一之RO4350B、Megtron 6、Astra MT77、Mold基材可應用於高頻段，而FR402基材一般應用於低頻段，並且有最低的成本。

表一、五種天線基材之介電係數與損耗正切特性

圖二所示為分析結果，可以發現採用FR402基材能有較大的頻寬，原因在於此基材有最高的介電損失，亦即有最小的品質因子(Quality Factor)，而頻寬又與品質因子成反比。但過高的損耗正切也造成增益與輻射效率為五種基材內最低，Astra MT77和Megtron 6基材所呈現的輻射特性最佳，而RO4350B與Mold基材次之，整體天線效能趨勢與基材所呈現的損耗正切數值高低具一致性結果。

圖二、不同基材選用之天線反射係數與輻射效率表現

參考資料

 [1] Ivan Ndip, Thi Huyen Le, Oliver Schwanitz, Klaus-Dieter Lang, ”A Comparative Analysis of 5G mmWave Antenna Arrays on Different Substrate Technolgies ”, 22nd International Microwave and Radar Conference, 2018.

[2] Chaithanya Raj, S. Suganthi, ”Performance Analysis of Antenna with Different Substrate Materials at 60 GHz”, International Conference on Wireless Communications, Signal Processing and Networking, 2017.