移动式WiMAX天线设计

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1、移動式WiMAX天線設計 Mobile WiMAX特點一覽 移動式（Mobile）WiMAX具備以下特點： 高資料傳送速度 頻道頻寬 時，最大資料傳送速度為 ，如果與運用智慧型天線（Smart Antenna）技術製作的MIMO（Multi Input Multi Output），或是錯誤控制技術的自動重傳要求（HAPQ，Hybrid Atomatic Repeat reQuest）等附屬功能組合，還可以實現高速資料傳送目的。 QoS保證 表1是移動式WiMAX的QoS分類一覽。如表所示共有五種QoS等級，它能夠對DiffServ碼點（code point），與多協議標籤交

2、換（MLPS：Protocol Label Switching）的訊流標記（Flow Label）進行測繪（mapping）。 系統擴充性 可以針對各國頻率與地理條件，透過頻寬的運作從1.25MHz一直到20.25MHz高自由度設計系統。 安全性 可以支援IEEE802.1x規定的延伸認證協議（EAP，Extension Authentication Protocol，以及利用高級加密標準/計數器模式（AES-CCM方式：Advanced Encryption Standard－Counter Cipher Mode，以下簡稱為AES-CCM的符號化與控制信號的保護。 移

3、動性 提供不會使VOIP等即時服務（real time service）品質劣化的無縫隙（Seamless）移交（handover）功能。此外有關WiMAX的使用方案（Scenario），如圖1所示，根據終端的利用時移動狀況預設三種方案。原則上終端不會移動。利用室內或是戶外天線收訊的使用終端，可以利用有線或是無線區域網路接收服務。 移動存取（Nomadic Access） 指終端移動，通訊時呈靜止狀的使用方案，非常接近目前WLAN提供的熱點服務（hot spot service）使用方案。 移動存取（Mobile Access） 指終端邊移動邊進行通訊的使用方案，移動WiMA

4、X支援最大時速120Km的移動。 　 表1 移動式WiMAX的QoS分類一覽 　 WIMAX標準化動向 IEEE 802.16作業小組規定無線都會區域網路（MAN，Metropoitan Area Network）的寬頻無線存取技術標準，有關該技術標準，WiMAX Forum為了使相異品牌的產品能夠相互通訊，因此針對IEEE 802.16技術標準製作的產品進行相互應用測試與認證。 目前IEEE 802.16技術標準為了能夠廣泛應用在固定使用或是移動使用領域，因此具備許多附屬參數（option parameter），主要考量是各供應商

5、自由選擇該附屬參數封裝時，機器的相互通訊可能會很困難，因此WiMAX Forum規定如何從附屬參數（包含IEEE 802.16技術標準在內），選擇適合各自的利用環境附屬共通規格（profile）。此外它還針對依照共通規格製作的機器，進行相互連接測試與機器認定作業。 圖2是寬頻移動無線存取系統委員會發佈的報告，顯示IEEE 802.16作業小組與WiMAX Forum的關係。IEEE 802.16e-2005規定物理層（PHY）與中間存取控制層（MAC）有關無線部份的標準規格，最近WiMAX Forum還開始檢討上位層的網路管理，針對網路層等Layer 3以上制定標準規格。 　

6、 移動式WiMAX關鍵技術 OFDMA技術 移動式WiMAX屬於地表波數位播放規格，它是以ISDB－T與WLAN規格，亦即IEEE802.11a/g也採用的OFDM為平台（base），使用多元連接方式的正交分頻多工傳輸存取（OFDMA，Orthogonal Frequency Division Multiple Access）當作調變方式。 OFDMA是將頻寬複數分割，再利用複數載波並聯傳送資料的複數載波方式。OFDMA系統將輸入信號分割成複數直行副載波傳送，藉此降低多重通行（multi pass）歪斜的影響。此外它還加入循環字首（Cycli

7、c Prefix）的冗長信號，迴避符號之間的符號干涉。 通常在OFDM，一位使用者可以使用所有副載波（sub carrier）進行通訊，不過OFDMA卻可以將副載波分成複數個次頻道（sub channel），因此複數個使用者可以同時進行通訊。OFDMA的副載波如圖3所示，它是由三種副載波構成，分別是： ‧資料副載波：傳送資料用。 ‧嚮導副載波（pilot sub carrier）：確定符號同步、補正信號強度用。 ‧無效副載波（Null sub carrier）：防護副載波（guard sub carrier）與DC副載波用，它不會傳送資料。 由於OFDMA能夠以次頻道為單

8、位分配使用者，因此低干涉噪訊的副載波優先分配給使用者，進而增加系統整體的通訊容量，即使鄰近Cell也可以使用相同頻率，頻率效率比OFDM大幅改善， 　 　 智慧型天線技術 所謂智慧型天線（smart antenna）技術是指透過複數天線，將送、收訊信號作向量（Vektor）或是行列演算，藉此提高系統的資料傳送能力。 雖然移動式WiMAX的合型天線技術是附屬功能，不過利用該技術可望改善收訊功能，大幅提升資料傳送速度。智慧型天線技術包含以下技術，分別是： ‧波束成形（Beam forming） 控制各天線的輸出振幅與位相使它重疊，藉此控制天線的指向性，提高 覆蓋面（C

9、overage）的面積與天線的容量，類似這樣利用收訊信號控制指向性的特徵（pattern）稱為AAS（Adaptive Antenna System）。 ‧時空間符號 利用空間變化（Diversity）效應降低衰減界限（fading margin）。基本形為2X1（送訊端2個天線，收訊端1個天線）的MISO（Multiple Input Single Output），不過移動式WiMAX可以視MIMO的一種，因此稱為MIMO矩陣（Matrix）A。 ‧多重空間 送、收訊都利用複數天線，接著透過資料分割至複數天線送訊，提高資 料的傳送速度，一般稱為MIMO不過移動式WiMAX為

10、了與時空間符號 作區隔，因此稱為MIMO矩陣（Matrix）B。2X2的MIMO將資料分割成兩個送訊，理論上資料的傳送速度相對提高2倍。 混合自動重傳要求（ARQ，Automatic Repeat-reQuest） 混合自動重傳要求（ARQ）是指可以提高資料傳送靠性的錯誤控制方法而言，錯誤控制方法會對送訊端要求再送被檢測的錯誤訊框（error frame），將冗長資料附加至自動再送要求與送訊資料，收訊端更正錯誤前方修正錯誤。 混合ARQ透過自動再送要求與前方修正錯誤的組合，可以降低錯誤檢測 時的再送次數，提供穩定資料的傳送速度。 混合ARQ採用3.5G技術，亦即高速下行

11、封包存取（HSDPA，High-Speed Downlink Packet Access）也使用的錯誤控制方式。 根據KDDI公司進行的移動式實證測試顯示，隨著混合ARQ功能發揮，它可以使資料的轉送速度上行提高20%，下行提高50%，系統整體提高30%。 日本曾經在20004～2005年透過無線寬頻推進研究會，進行寬頻無線存取（BWA，Broadband Wireless Access）系統檢討，該研究會最後將BWA定義成：「目前的3G行動電話系統不易支援上行/下行的寬頻利用，BWA為進行大眾用寬頻資料通訊服務的無線系統」，圖4是BWA系統的特徵與應用藍圖。 　 　 根據

12、上述研究報告，2006年3月成立「寬頻移動無線存取系統委員會」，開始檢討構成2.5GHz BWA系統的技術條件，2006年12月委員會將包含移動式WiMAX在內的MBTDD-Wideband、MBTDD625k-MC、次世代PHS等四項技術當作BWA技術，確認它是必需滿足的要求條件，同時還針對各系統的特徵與干涉條件作成報告書。 移動式WiMAX天線設計 移動裝置內嵌的WiMAX天線必需具備下列特性： 1. 輕巧、薄形化 2. 天線本身擁有接地（ground）結構 3. 無放射指向性 基於上述理由，採用膜片狀天線（film type antenna）結構較為合理，這種結構是由

13、厚0.1~0.2mm銅板與厚的聚蔥亞胺膜片（Polyimide flim）碾壓（laminating）製成；為滿足上述三條件，WiMAX用天線被設計成具備三個放射元件狀。 圖5是WiMAX天線的基本結構，為了使天線具備2GHz以上頻域特性，因此天線具有三個獨立的共振點，分別是二個Open stub與一個short stub。 　 　 有復歸損失（return loss）的閥值以下的頻寬，必需透過設計條件使賦予的範圍能夠變成最大值，接著再利用傳輸線路理論計算各線路的長度，其結果如圖6所示。 第一個Open Stub距離供電點大約16mm，第二個Open Stub距離供電點

14、大約13mm，第三個short Stub則形成迴路（loop）結構，迴路的長度大約45mm，天線整體的外形尺寸為。 圖7是復歸損失的計算結果，由圖可知復歸損失低於的頻域大約是2.8~6.6GHz，證實本天線可以含蓋3.8GHz的頻域。 圖8是3.32GHz、4.86GHz、5.97GHz三共振點的電界分佈模擬分析結果，由圖可知第一個與第二個Open Stub在低頻端與中央頻率發生共振，第三個short Stub則在高頻端發生共振。 　 　 　 根據以上檢討結果試作的膜片狀天線，具體結構天線導體使用銅板，該銅板的兩面再用聚蔥亞胺膜片（Polyimide flim）碾壓

15、（laminating），天線總厚度低於0.3mm，供電使用直徑1.1mm的同軸纜線。 圖10是計算值與試作天線的復歸損失比較結果，由圖可知試作天線的低頻端與中央頻率的共振頻率幾乎與計算結果一致，高頻端的共振頻率只有300MHz，而且朝低頻端方向移動，根據模擬分析結果顯示共振頻率的反射已經有效被抑制。 上述計算值與試作結果略有差異，主要原因是兩者的供電方式不同所造成，根據以上結果證實，此天線可以實現3GHz以上寬頻域特色。 　 　 圖11是試作的寬頻天線在3GHz與5GHz時的放射特性（pattern）測試結果，如圖所示，垂直與水平偏波成份分別以藍色與紅色表示，在3GHz

16、與5GHz時都呈無指向性放射圖案，而且完全無零點（Null）現象。 移動裝置用天線要求的無指向性放射特性，是指任何角度、位置都能夠維持通訊，它對無線通訊非常重要。根據上述放射圖案利用下式計算各頻率的平均等化。 平均等化----------------（1） ： 垂直偏波的等化真值 ： 水平偏波的等化真值 ： 方位（azimuth）角度（0,1,2,----------,359） ： 量測step數（=360） 　 　 圖12是上述天線的平均等化特性量測結果，根據量測結果顯示，本天線在2.5~6.0GHz頻域範圍內，具有非常平坦的等化特性，而且能夠獲得odBi（包

17、含纜線損失在內）的高等化值，使用頻寬範圍內平坦的等化特性對移動式WiMAX非常重要。圖13是本天線的群延遲測試架構圖，如圖所示，天線對向設置在電波暗室內，彼此的距離依序從40cm、60cm、80cm變化。 圖14是群延遲的測試結果，根據測試結果顯示本天線的群延遲特性，在2~6GHz頻域內能夠維持一定值，它的分佈不均值低於1.2nsec。 　 　 　 　 通訊業者普遍認為2007年開始，WiMAX（IEEE 802.16e-2005）支援的頻率可望普及化，為擴大天線的適用頻寬，研究人員將設置天線的周邊環境一併列入考慮，重新計算各放射元件的長度進行天線最佳化設計，再將該天線設置在標準的模擬框架內，進行天線特性的量測。 圖15天線設置在塑膠材質模擬框體時的外觀，圖16是天線設置在模擬框體時的狀態，模擬LCD為金屬材質，模擬框體LCD端黏貼銅薄片，模擬遮蔽電磁波的金屬膜片，電磁波傳輸用穿透窗口則是在天線周圍切割孔穴。 圖17是天線設置在塑膠模擬框體時的歸復損失（return loss）測試結果，如圖所示模擬實用環境的最佳化天線，歸返損失低於時可以含蓋2.2~7GHz的頻率範圍，該特性幾乎網羅所有無線通訊的頻率範圍。 圖18是上述天線的平均等化結果，如圖所示它可以獲得（包含纜線損失）的高等化特性，符合實際要求目標。