高增益天线设计力挺 大型基地台天线系统掀革新

winniewei 提交于 周三, 10/11/2017
高增益天线设计力挺 大型基地台天线系统掀革新

作者:陈伟吉,陈正中,郭李瑞,许世勋

行动通讯发展迄今已逾二十余年,由GSM/DCS(第二代行动通讯,简称2G)、3G,乃至于今日之4G LTE通讯等,而综观未来通讯的需求与发展,宽带、高传输率的通讯技术将会形成主流。因此,增加系统容量与传输速率成为未来无线行动通讯系统必须优先发展的技术,而解决方案环环相扣,其中重要的技术发展为利用细胞规画的方法,搭配适当的基地台天线辐射覆盖,进一步将细胞切割为较小细胞来重复频段之使用。为了达成这项目标,单一扇区多波束基地台天线之天线增益须获得提升,限缩其辐射波束宽度(Beamwidth),减少多个天线辐射波束越区覆盖的情况。

在本文中提供了三种提升天线增益之辅助性电磁组件设计,包括频率选择表面、电波导引器与透镜结构,藉以降低多波束天线整合时的耦合效应,并控制其天线的辐射波束宽度,提升基地台天线系统整体效能。 

大型基地台天线 

在基地台之核心技术中,天线是一个核心的组件,它直接关联通讯质量的优劣,它的使用方式亦直接攸关通讯系统架构的设计。在基地台天线的应用中,源于细胞规画的电波覆盖逻辑,天线的辐射波形及特性必须适度提供细胞所规画之覆盖区上的电波覆盖,覆盖区与覆盖区间必须产生适度的区隔,使得频率之重复使用得以在行动网络中适度应用来增加通讯容量。 

因此,天线的型态必须使用数组天线来产生所需的辐射波形,天线单元数亦必须维持一定的数量来使得整个天线数组的辐射特性能符合通讯之多重覆盖需求,此类天线被称之为「高增益天线」,在基地台应用中归类为「大型基地台天线」。这些天线的特性要求远高于一般习知之消费性产品的天线或AP(Access Point)之天线。如前述,此大型天线必须能符合电波覆盖的需求、及实现通讯系统之相关技术,包括多频、宽带,实现多任务分集之需求,此为大型基地台天线发展之趋势。 

基地台天线系统演进 

大型基地台天线发展已久,从最早采用的全向性天线,历经多个重要转折点,现代的基地台天线多频带、多埠、极化分集、空间分集、波束分集多任务等技术已成为主流。延续过去之基地台天线演进,近代基地台天线发展如图1所示,图1(a)为传统之大型基地台布建架构,置于楼顶之大型基地台天线是经由大口径的射频馈缆连接至屋内机房的射频与基频模块,本架构除了布建条件严苛外,大多数的射频讯号也会消耗在馈缆上,造成效率不彰。 

图1 基地台天线系统演进

图1 基地台天线系统演进

1(b)为基地台天线与远程射频头端(Remote Radio Head, RRH)整合的架构,其想法是把射频系统(功率放大器、滤波器、射频收发机与控制单元等)从传统的基站机房中拉出来,与基地台天线整合成主动式天线,大幅降低射频讯号在馈缆上的损耗。 

RRH与天线可以根据容量规画与需求布建在特定地方,系统可以通过布设多个RRH,藉由光纤上的高速传输(如通用的公共射频接口(CPRI)讯号格式)链接主基地台,并共享基频处理资源,形成能有效解决覆盖和容量问题的通讯网络,RRH技术已被视为4G行动网络布建的重要技术。 

虽然在大部分RRH应用中,发射线性功率的上限多为5瓦,但将高功率的射频前端电路移出机房置于严苛的户外,将面临散热与线性度随温度巨幅变化的挑战,此时发射端的功率放大器的效率与线性度特性将主导整个RRH的质量。 

1(c)为多波束基地台天线的示意图,其架构是利用同一个基地台天线模块,同时发射多个互相不干扰且波束宽度缩小的水平波束,个别波束因应较小的覆盖区,达成基地台的细胞切割(Sectorization)。自1990年代之后,细胞切割是增加无线通信容量与基站数目最重要的技术,未来针对特定高流量的户外基地台应用(High Capacity Hot Zone),如大型体育场、高密度大楼之街道等,如何利用创新的天线设计,针对特定区间,同时提供多个高增益的正交波束,大幅增加整个基地台的容量(Cell Capacity),已成为各大电信设备商与基地台天线商的投入研发资源的目标。 

辅助性电磁组件加持 天线增益效能提升 

然而在天线设计实现上,水平维度使用了数组天线结构来缩小波束,意味着天线的体积大幅增加,尤其在覆盖细胞数增加后,其所需的天线数又同步增加。假如细胞切割数N,则天线整体体积的增加倍数为N平方倍,此平方倍数的成长所牵涉的不仅是成本的问题,尚包括因多个波束越区覆盖导致之天线相互影响的问题,为此必须缩小其个别水平波束宽度,同时提高天线指向性特性。 

欲提升天线增益性能与限缩水平波束宽度须利用辅助性电磁组件,其中包括频率选择表面(Frequency Selective Surface, FSS)、电波导引器(Wave Director)及透镜结构(Dielectric Lens)等,目标在于产生较高的天线增益,一则让多天线整合时降低相关的耦合效应,二则控制天线的辐射波束,两者之目标一致,均希望在多排天线机构中,每个天线端口均能产生独立不受耦合干扰之波束,让天线在使用时能够具备原来规画之辐射特性。 

频率选择表

频率选择表面为一电磁周期性结构,具备空间滤波功能,可为低频通过滤波器(Low Pass Filter)、或为高频通过滤波器(High Pass Filter)。以高通滤波器而言,其结构对于高频电磁波可自由通过,宛如结构不存在;对于低频电磁波宛如一个金属屏蔽结构,完全无法通过,其基本形式与频率响应示意图如图2所示。我们可以针对所需的电磁特性去设计频率选择表面之结构,来得到特定的频率响应。 

图2 频率选择表面之基本图形(a)电容性(b)电感性(c)共振式网格结

图2 频率选择表面之基本图形(a)电容性(b)电感性(c)共振式网格结

因此在基地台天线设计中,频率选择表面的功能至少有三,一为增加天线与天线间之隔离度,依其频率需求而使用高通或低通或者带通结构;二为增加反射板的自由度,此应用在高低频数组单元共存时效用相当大,亦即利用反射板来调整波束宽及前后比时可以摆脱高低频结构连动影响之电磁问题;三为应用于设计脱耦合之天线单元,尤其是低频天线单元,其方式乃是利用低频时频率选择表面形成金属屏蔽,因此可以形成天线的辐射体的一部分,而在高频时其结构为Pass Band,因此对于高频天线的辐射不会形成耦合,可以降低对高频天线辐射波形之干扰,使高频数组天线之辐射波形可以保持其完整性。频率选择表面之使用可以将原本波束宽较宽的天线场型集中,产生波束宽较窄的天线场型,同时增益值也会跟着变高。 

电波导引器 

电波导引器系在天线单元上设有辅助性结构,此结构可提升天线增益。亦即在原天线单元面与导引器之内的区域形成波导效果,利用电磁波在结构中的传播会产生相位变化, 当相位变化对于天线辐射产生建设性干涉影响时,天线辐射场型将会产生聚焦效果,一则提升增益及调适天线之波束宽、一则降低此天线受到其他相邻天线之干扰。因此在多排并列、单独操作之数组天线及高低频并列之数组天线,均可藉以减少彼此之耦合,提升天线辐射的独立性。以金属制成之电波导引器为窄频结构,最习为人知的应用为Yagi天线,其为方向性天线,利用一个尺寸较大的金属置放在激发天线的后方当作反射板,再放置尺寸较短的金属当作金属波导,使得整体天线的指向性可以增加进一步提高增益值,图3即为利用电波导引器增加天线增益之实例。 

图3 利用电波导引器增加天线增益实例

图3 利用电波导引器增加天线增益实例

透镜结构  

与电波导引器之角色相同,介电透镜之目的亦是与天线单元振子的结合来增加其辐射方向性。此透镜完全由介电材料建构,设计方式需要考虑等光程条件与司乃耳定律(Snell's Law)的要求,来达到所需的波束集中特性,其设计变量包含了介质的介电常数、外型尺寸、内部结构以及体积的大小等等。当此透镜与天线振子结合后,会导引辐射电波经由透射的原理在其结构中传播,因此可将电波由天线导引至透镜外侧,进一步改变其衍生之相位差,达到方向性与增益值提升等等特性。透镜结构亦可整合天线罩功能,可以发挥调整波束宽、降低旁波束等效益。介电透镜结构之带宽较前述电波导引器来得宽,适用于宽带天线结构设计,图4即为利用Fresnel Lens结构缩小水平(X)波束宽度实例。

图4 利用Fresnel Lens结构缩小水平(X轴)波束宽度实例

图4 利用Fresnel Lens结构缩小水平(X轴)波束宽度实例

本文说明了大型基地台天线的重要性以及近代基地台天线系统发展演进,从中可了解到多波束天线在特定高流量的户外基地台应用中更能提升频谱使用效率增加数据吞吐量;此外,亦分析了三种提升基地台天线增益并限缩其水平波束宽度之设计原理,其中包含频率选择表面、电波导引器与透镜结构设计,藉由这些方法使得单一扇区内的多个天线辐射波束越区覆盖的情况得以改善,进而提升基地台天线系统整体效能。 

(本文作者陈伟吉、陈正中任职于工研院资通所;郭李瑞、许世勋任职于哗裕实业)

来源:新通讯 2017 年 10 月号 200 期《 技术前瞻 》

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