為滿足愈來愈多終端用戶對無線通訊高速傳輸的需求，局端設備必須持續擴大無線網路覆蓋範圍，增加小型基地台（small cell） 的布建數量。另一方面，隨著台灣第五代移動通信世代（5G）頻段的釋出[1]，相較毫米波頻段（millimeter wave），3.5 GHz頻段由於傳輸損耗較低、基地台涵蓋範圍較廣，再加上生態系形成，適合現階段的發展。其中天線正是終端用戶與局端設備之間的通訊橋樑，本文將講述工研院於3.5 GHz頻段的小型基地台智慧型天線模組研發成果。
精彩內容
1. 3.5 GHz小型基地台天線模組架構分析與探索
2. 由資通所開發 發展之小型基地台智慧型多波束可控天線模組
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3.5 GHz小型基地台天線模組架構分析與探索
相位陣列（Phased Array）
圖1為一般毫米波頻段通訊系統經常使用的射頻（radio frequency）前端相位陣列天線架構圖[2]，以4×2陣列天線為例，使用兩顆具有2T2R（2 transmit 2 receive）之射頻收發機（transceiver）晶片（ex: AD9371[3]），一組收發機連接至四個天線單元，其中每個傳輸路徑中除了包含功率放大器、低雜訊放大器與收發切換開關，另外還有移相器與可變增益放大器，用來調整每個天線單元的訊號相位與能量大小，藉此控制相位陣列天線場型輻射方向。 由於陣列天線具較高天線增益，通訊系統能有較高的訊雜比表現，於毫米波頻段已被廣泛的使用。然而在這樣簡易的2×4相位陣列天線架構下，所需射頻元件數量已相當可觀，且若應用於3.5 GHz頻段，由於天線單元間距需維持0.5波長（~43 mm）左右，整體相位陣列尺寸相形龐大。另外，一般相位陣列天線場型涵蓋角度基本上皆小於180度，因此同一基地台若想達到360度通訊範圍，至少需要2組以上相位陣列天線模組布建。
圖1 射頻前端之相位陣列天線架構圖智慧型天線（Smart Antenna）
圖2為射頻前端之智慧型天線架構圖，以5×2五角柱天線為例，同樣使用兩顆具有2T2R之射頻收發機晶片，一組收發機連接至五個天線單元，其中每個傳輸路徑僅需一組功率放大器、低雜訊放大器、兩組收發切換開關以及一組一分五路波束切換電路，透過切換電路輸出端埠連接至同一水平高度、同一極化方向的五個天線單元，利用切換電路來控制一個天線單元開啟，藉此選擇五種輻射方向中的其中一種天線場型。 此種架構下的輻射場型，由於缺乏多天線波束成形的效果，因此天線增益表現不如相位陣列，通訊系統訊雜較差，但是所需射頻元件數量少、成本低是智慧型天線模組的優勢。此外，透過五種不同輻射方向之天線單元，每個天線單元之波束寬度設計為72度，在此情況下，僅需一組智慧型天線模組，即可涵蓋360度通訊範圍。
圖2 射頻前端之智慧型天線架構圖由資通所開發 小型基地台智慧型多波束可控天線模組
十二角柱天線模組
圖3為資通所開發的3.5 GHz頻段十二角柱天線模組，整體尺寸為23×23×10 cm3，總計有12×2個雙極化天線單元，每個天線單元皆可分別傳輸±45°極化的電磁波，實現2×2 MIMO（multi-input multi-output）通訊系統的功能。由於一般智慧型天線增益較低，在本項設計中，藉由同時開啟相鄰連續二路或三路，產生建設性干涉，使能量聚集於特定方向形成波束，進而增加通訊系統的訊雜比，如同相位陣列的作法。同時為避免波束掃描時產生光柵波瓣（grating lobe），導致波束能量不集中與干擾等問題，相鄰天線單元間距設定為5 cm，約為3.5 GHz頻段的0.58波長，實測天線單元則可涵蓋3.3～3.8 GHz寬頻操作。
圖3 3.5 GHz十二角柱天線模組一分十二路切換電路
為滿足智慧型天線模組之輻射場型需求，資通所開發一分十二路切換電路，如圖4所示，相較於傳統一對一切的切換網路，本項設計為對應一進十二出的可調式分配網路，讓系統端能將能量傳輸至其中一個天線端埠，或同時傳輸至兩個、三個、四個、五個等天線端埠，且還能保持輸入阻抗的良好匹配。在電路架構設計上則採用微帶線來實現寬頻電路的特性，其中切換開關是採用高線性度的單極雙擲（single pole dual throw, SPDT）開關[4]，整體功率分配路徑總共有十二路，12個SPDT開關分別安置於12條路徑的天線端埠，每個路徑都可單獨選擇此路徑連接到天線，或經由四分之一波長阻抗轉換路徑至接地面，形成開路狀態。藉由本項切換電路設計，搭配上述十二角柱天線模組，即可切換不同輻射方向。
圖4 一分十二路切換電路智慧型天線模組整合
如同圖2的智慧型天線架構，我們將上述一組十二角柱天線與四組一分十二路切換電路整合，每一組切換電路的輸出端埠分別利用低損耗同軸電纜（coaxial cable）連接至同一水平高度且同一極化方向的天線單元，透過堆疊兩層天線單元，使整體達成4×4 MIMO通訊系統的功能。 圖5為所開發的3.5 GHz頻段智慧型天線模組於開啟相鄰二路與相鄰三路之波束成形輻射場型量測圖，在這兩種模式下皆具有12組可快速切換的水平波束，半功率波束寬度（half-power beamwidth, HPBW）分別為37度及28度，透過這兩種模式的選擇，此天線模組可提供24組不同方向的水平波束，每隔15度水平夾角即有一波束方向可切換，透過波束切換，能夠滿足360度通訊涵蓋範圍，避免產生通訊死角。
圖5 智慧型天線模組之量測場型 結論
隨著5G技術逐步發展，3.5 GHz頻段也逐漸受到重視，各國相關基礎建設也在此頻段發展起來，如今成為5G建設最成熟的頻段。研發團隊已成功開發4×4 MIMO的小型基地台智慧型天線模組，透過切換電路選擇天線波束方向，可聚焦能量於終端通訊裝置，減低發散到其他方向的干擾能量。並可依據不同應用場景，調整天線單元數量、配置形式與切換電路設計，來滿足波束方向需求，未來更將嘗試與系統基頻電路整合、測試驗證及後續分析。
參考文獻
[1] (2020) The Executive Yuan website. [Online]. Available://www.ey.gov.tw/
[2] 郭芳銚, 姜哲揚, “5G毫米波鄉控整合晶片發展,“ ICT Journal, No. 177, Apr. 2019.
[3] “AD9371 data sheet,” Analog Devices, Massachusetts, USA.
[4] “BGS12SN6 data sheet,” Infineon Technologies, Munich, Germany.
相關連結: 回181期_5G技術專輯
相關連結: 應用於5G系統的毫米波升降頻收發機（Up/down converter）
