專欄文章

由各被動元件所組成之高功率天線系統，需避免使用非線性材料，特別是天線基板要具備好的散熱性、低PIM值等特性；前篇專欄已初步介紹被動式交互調變產生機制與測試架構，本專欄將進一步說明高功率天線相關設計議題。

在設計高功率基站系統時，會在發射路徑上設計多階放大器元件，以滿足射頻輸出功率之要求。然而，功率放大器元件屬非線性元件，因此，當多個載波頻率一起傳輸至主動元件時會造成非線性混頻現象，使得輸出端會產出多個頻率響應。

倘若坐落於正常通訊頻段，即會造成干擾，進而影響整體通訊品質。主動元件在開發上可透過設計的巧思將交互調變的效應降低，如使用前饋放大器(Feedforward Amplifier)來提升整體線性度等。當高功率訊號傳輸至被動元件或天線時，由於材質或結構的不完美而產生被動式交互調變失真。因此，在設計此類被動元件時，特別是金屬件結構，其材質需要避免使用非線性材料。

有關低被動式交互調變(Low PIM)之天線設計議題，文獻中有探討幾個設計準則，從材料選擇面來說需要避免使用以鐵、鈷、鎳或鐵氧體(Ferrite)為主之鐵磁性材料，如射頻元件中之相移器(Phase Shifter)或環形器(Circulator)常利用鐵氧體材料做設計。這些材料會產生磁滯現象，而生成的磁滯曲線常用來解釋非線性效應。

另外，鋼與不銹鋼、鋁鎂合金或高純度(99.7%)氧化鋁介電材料等易需避免使用。因此，需要優先選擇具有較佳IM表現之材料，包括金、銀、銅、黃銅或鈹銅等。而若金屬表面在溼度高的環境長期放置，易產生銹蝕或氧化層，也會劣化PIM效能。

在天線結構上需要避免電流過度集中於天線本體上，因為高電流密度會造成本體溫度上升，進而誘發PIM。如圖所示為摺疊偶極天線結構與其導體上之電流分佈，可以發現在饋入處加入槽縫會讓天線本體上的電流較為均勻分佈。相較於未添加槽縫之結構相比其PIM值改善10dB。

圖、摺疊偶極天線結構與電流分佈改良方法

另外，PIM可能發生在任兩種不同金屬之連接點或介面處，例如:饋纜與天線本體結合處，或饋線與連接器之連接處。綜合以上所述，Low PIM天線設計除了材料選擇與避免電流密度分佈不均勻外，還需要進一步確保整個RF路徑上之電性連接穩定性與安裝環境，才能讓PIM問題無所遁形。

參考資料

[1] John Sanford, “Passive intermodulation considerations in antenna design”, Proceedings of IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium, 1993.

[2] KOK JIUNN NG, MOHAMMAD TARIQUL ISLAM, ADAM ALEVY, MOHD. FAIS MANSOR, CHOON CHUNG SU, “Azimuth Null-Reduced Radiation Pattern, Ultralow Profile, Dual-Wideband and Low Passive Intermodulation Ceiling Mount Antenna for Long Term Evolution Application”,IEEE Access, 2019.

[3] Huseyin Aniktar, “Passive Intermodulation Effect on Antennas and Passive Components”, XXIX International Scientific Conference Electronics (ET), 2020.