第三章 基地台天線之模擬與測量
3.5 第三行動通訊基地台天線輻射場型之測量
本研究實測了第三代行動通訊基地台天線(Kathrein 741794) 的遠場輻射場型與反射損失S11，其中量測系統是使用三埠網路 分析儀（Agilent-E5071B）、標準天線等設備，於開放空間中進 行測量，並應用網路分析儀之時域閘取(Time Gating)功能，將地 面反射波、周圍環境造成的散射波等非直接波消除之而可得直接 波成份，來獲得自由空間輻射場型。時域閘取方法如圖3-18所
然後選取直接波成份，再使用反傅立葉轉換回頻域，即可得直接 波成份的
S
21頻率響應。本實驗選擇台灣科大電機工程系屋外試驗場進行反射損失 S11與輻射場型測量，實驗環境如圖3-19所示。圖3-20為天線水平 輻射場型之測量架構，其中標準天線為號角天線（EMCO 3115, 1GHz~ 18GHz），此標準天線高1.3m並距待測3G天線10m，兩天 線分別以10m長N型同軸電纜連結至網路分析儀。實測時，待測 天線每次轉動2°來獲得
+ 45
°及− 45
°兩線性極化埠的輻射場型。所測得之反射損失S11與輻射場型分別討論如下：
(1) 反射損失：圖3-21為反射損失測量結果，此3G天線之-10dB 反 射 損 失 頻 率 範 圍 在 1.6GHz 至 2.4GHz 間 ， 可 應 用 於 DCS-1800與W-CDMA(2GHz)雙頻段的行動通訊系統中。
(2) 水平切面輻射場型：圖3-22為3G基地台天線水平切面輻射場 型模擬與量測的比較，兩者的輻射場型相當接近，其中-45°線 性極化埠水平切面之半功率波瓣寬度量測值為62°、+45°線 性極化埠為66°，而增益分別為15.4 dBi及17.8 dBi，此與模擬 值63°及18.5dBi相近。另外，量測所得背向波瓣（Back Lobe）
的場型變化較大，但趨勢仍與模擬相符。
(3) 鉛垂切面輻射場型：圖3-23為3G基地台天線鉛垂切面輻射場 型之量測架構，其中標準天線為號角天線，高2.2m且距待測 天線10m。圖3-24為3G基地台天線鉛垂切面輻射場型模擬與 量測的比較，由於鉛垂切面輻射場型隨角度變化較快，而量 測轉動的角度間隔為2°，並且天線有一等效孔徑及僅有10m 距離，因此所測得的鉛垂切面輻射場型較模擬場型變化小，
不過趨勢仍與模擬相符，其中-45°及+45°兩線性極化埠鉛垂 切面之半功率主瓣寬度量測值均為6.5°，而前後比則分別為 27.3dB及27.4dB，此與模擬值6.5°及25.5dB極為相近，主波 瓣向下傾斜角量測值為2°，與模擬值相同。另外，此天線前
後比並未符合規格中至少30dB前後比的要求，而會產生較高 的同頻干擾。
Mast diameter (D) 0.0762λ
Reflector angle 120
Wire radius 0.004 λ
Length of the 1st and 7th
driven dipoles 0.354 λ
Length of the 2nd and
6th driven dipoles 0.344 λ Length of the 1st and 7th
parasitic dipoles 0.210 λ Length of the 2nd and
6th parasitic dipoles 0.209 λ Reflector height 3.432 λ Reflector width (L) 0.164 λ Distance between driven
dipole and mast surface (d) 0.166 λ Distance between driven
and parasitic dipole 0.019 λ Vertical distance
between element 0.381 λ
圖3-1 GSM雙頻基地台天線[39]單一元素、陣列型式及尺寸。
(a) 解析區域設定 (b) 吸收邊界條件設定
(c) 應用內建Thin Wire建立偶極 天線模型
(d) 波源的設定
(e) 計算H平面輻射場型之設定 (f) 計算E平面輻射場型之設定 圖3-2 XFDTD套裝模擬軟體參數設定說明
圖3-3 雙頻基地台天線範例之XFDTD模型3-D圖
範例之水平切面遠場輻射場型 XFDTD模擬之水平切面遠場輻射場 型
範例之鉛垂切面遠場輻射場型 XFDTD模擬之鉛垂切面遠場輻射場 型
圖3-5 雙頻基地台天線範例之遠場輻射場型結果比較，其中波源 為900MHz單頻訊號。
圖3-6 第二代行動通訊基地台天線(Kathrein 739494)
圖3-7 第二代行動通訊基地台天線(Kathrein 739494)之XFDTD模
圖3-8 第二代行動通訊基地台天線(Kathrein 739494)之XFDTD模 型3-D圖
圖3-9 第二代行動通訊基地台天線(Kathrein 739494)陣列中單一 元素之反射損失頻率響應模擬結果
圖3-10 第二代行動通訊基地台天線(Kathrein 739494)之水平切 面遠場輻射場型，其中波源為1767.5MHz單頻訊號。
圖3-12 第三代行動通訊基地台天線(Kathrein 741794)
圖3-13 第三代行動通訊基地台天線(Kathrein 741794)之XFDTD 模型正視圖
圖3-14 第三代行動通訊基地台天線(Kathrein 741794)之XFDTD 模型3-D圖
圖3-16 第三代行動通訊基地台天線(Kathrein 741794)之水平切 面遠場輻射場型，其中波源為1950MHz單頻訊號。
圖3-17 第三代行動通訊基地台天線(Kathrein 741794)之鉛垂切 面遠場輻射場型，其中波源為1950MHz單頻訊號。
原頻率響應
FFT
傅立葉轉換至時域
Time Gating
選取直接波成份
反傅立葉轉換至頻域
Inverse FFT
圖3-19 天線輻射場型實測環境
圖3-20 水平切面輻射場型量測架構
圖3-21 3G基地台天線之反射損失頻率響應量測結果 Frequency (GHz)
Return Loss (dB)
圖3-22 3G基地台天線之水平切面遠場輻射場型量測與模擬之 比較，其中波源為1950MHz單頻訊號。
圖3-23 鉛垂切面輻射場型量測架構
圖3-24 3G基地台天線之鉛垂切面遠場輻射場型量測與模擬之 比較，其中波源為1950MHz單頻訊號。
表3-1 第二代行動通訊基地台天線之規格
（Kathrein 739494: XPol F-Panel 1800 65° 18dBi）
Type No. 739 494
Frequency range 1710-1880 MHz Polarization +45°/ -45°
Gain
2 × 18 dB
iHalf-power beam width Copolar +45°/ -45°
Horizontal：65° Vertical：6.5° First Sidelobe Level -12dB Front-to-back ratio, copolar >30dB Isolation, between ports >30dB
Impedance 50Ω
VSWR < 1.5
Intermodulation IM3
(2 x 43 dBm carrier) < –150 dBc Max. power per input 200 Watt
表3-2 第二代行動通訊基地台天線（Kathrein 739494）遠場輻射 場型模擬值與規格值之比較
模擬值 規格值
Half-Power Beam Width Horizontal：66° Vertical：6.8°
Horizontal：65° Vertical：6.5° Front-to-Back Ratio, 29.7 dB > 30dB
VSWR 1.1 < 1.5
Gain 18.9 dBi 18 dBi First Sidelobe Level -13dB -12dB
表3-3 第三代行動通訊基地台天線之規格
（Kathrein 741794: Xpol F-Panel 1710-2170 65° 18.5dBi 2°T）
Type No. 741 794
Frequency range 1710-1880 MHz 1850-1990 MHz 1920-2170 MHz Polarization +45°/ -45° +45°/ -45° +45°/ -45° Half-power beam
width, copolar +45°/ -45°
Horizontal：67° Vertical：7°
Horizontal：65° Vertical：6.7°
Horizontal：63° Vertical：6.5° Electric tilt 2°, fixed 2°, fixed 2°, fixed Front-to-back > 30 dB > 30 dB > 30 dB First Sidelobe
Level -14dB -14dB -14dB
Impedance 50Ω 50Ω 50Ω VSWR < 1.4 < 1.4 < 1.4 Intermodulation
IM3(2 x 43 dBm carrier)
< -150 dBc < -150 dBc < -150 dBc Max. power per
input 300 Watt 300 Watt 300 Watt 表3-4 第三代行動通訊基地台天線（Kathrein 741794）遠場輻射 場型模擬值與規格值之比較
模擬值 規格值
Half-Power Beam Width Horizontal：63° Vertical：6.5°
Horizontal：65° Vertical：6.7° Front-to-back ratio, 25.5 dB > 30dB
VSWR 1.05 < 1.4
Gain 18.5 dBi 18 dBi First Sidelobe Level -13 dB -14 dB
° °