《AI時代系列(5)：掌握AI + 6G無線行動通訊網路 —— 超高速、零延遲、智慧城市全攻略 🌐》
15/100 第2周：網路傳輸媒介與技術
15. 天線技術與系統設計 📶
增益、極化與安裝實務！
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🎯 單元導讀
在無線網路與射頻系統中，天線技術決定了訊號能「傳多遠、收多好」：
• 透過提升增益、控制極化與合理安裝，可以大幅改善訊號品質與覆蓋範圍。
• 這些技巧是 4G/5G/6G 基地台與室內外覆蓋的關鍵。
👉 一句話：天線不只是元件，還是一套系統設計工程。
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🧠 一、天線性能進階概念
1️⃣ 增益（Gain）
• 衡量天線把能量集中到某方向的能力（dBi）。
• 增益越高，該方向訊號越強，但波束越窄。
• 高增益適合遠距、定向；低增益適合近距、全向。
2️⃣ 極化（Polarization）
• 電場震盪方向（垂直 / 水平 / 圓極化）。
• 發射與接收極化需一致才能減少損耗。
• 圓極化可減少多路徑影響，常用於衛星。
3️⃣ 波瓣與前後比（Front-to-Back Ratio）
• 主波瓣方向訊號最強，旁瓣可能造成干擾。
• 前後比越高，背面訊號越弱，干擾越少。
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🧠 二、天線系統設計與安裝實務
1️⃣ 天線選型
• 全向天線：訊號均勻覆蓋，適合 Wi-Fi / 小區基站。
• 定向天線：訊號集中傳送，適合長距離點對點或回傳。
• 陣列天線：多單元組合，支援波束成形與 MIMO。
2️⃣ 安裝高度與下傾角
• 高度：太低易被遮蔽，太高干擾其他站；需平衡覆蓋與干擾。
• 下傾角：調整波束方向，避免訊號浪費到空中或過度干擾。
3️⃣ 隔離與干擾管理
• 多天線安裝需保持適當間距與隔離。
• 使用合適的避雷器與接地，確保安全與穩定。
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💻 三、ASCII 示意圖
1️⃣ 高增益定向天線
→→→ 集中波束 →→→
[ 天線 ]
→ 長距離、定向覆蓋
2️⃣ 全向天線
↑
↗ | ↖
←────┼────→ 全方向輻射
↘ | ↙
↓
→ 均勻覆蓋周邊
3️⃣ 安裝高度與下傾
塔頂天線
/\
/ \ ← 波束下傾
/ \
→ 下傾角調整覆蓋區域
這三個示意圖分別呈現了常見天線型態與安裝調整的概念：高增益定向天線把能量集中在單一方向，能達到遠距離、窄波束的覆蓋，適合點對點或長距離連線；全向天線則像圖中放射狀一樣，能量均勻往四面八方輻射，適合基站或需要環狀覆蓋的場域；至於安裝高度與下傾角，塔頂天線若不調整波束角度，能量可能打得太遠、造成近端盲區，因此透過下傾角調整可把主要能量投射到目標服務區域，讓訊號強度更均勻、干擾更低。
👉 說明：
• 增益 = 訊號集中程度。
• 極化 = 發射/接收方向要一致。
• 下傾 = 調整「照射範圍」。
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🧩 四、模擬題
1️⃣ 專業題：天線增益與方向性的關係
• 增益 (Gain) 表示天線在某個方向上將電磁波集中起來的能力，相對於理想全向天線（等向輻射源）的比值，單位常用 dBi。
• 方向性 (Directivity) 則描述天線輻射能量分佈的集中程度，波束越窄，方向性越強；波束越寬，方向性越弱。
• 兩者關係：增益與方向性正相關。要得到高增益，必須將能量集中到較窄的波束，也就是更強的方向性；反之，全向天線因能量均勻散佈各方向，增益就較低。
應用例子：
高增益定向天線常用於點對點長距離傳輸，例如：
• 兩棟大樓之間的微波/毫米波鏈路。
• 山頂中繼站與山谷小村落之間的定向連線。
因為波束集中，能有效提高信號強度、減少干擾與功率浪費。
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2️⃣ 應用題：市區多基地台環境下的天線下傾角設定
在市區，基地台密集、樓層多、用戶密集。如果天線指向過遠或過高，會造成：
• 自小區干擾（信號越過服務區域，干擾鄰站）。
• 近距離區域訊號過弱（形成近端盲區）。
實務做法：
• 適度增加「電下傾角」（Electrical Downtilt）：讓主要能量落在基地台周邊服務區域，提高近距離信號、減少越區干擾。
• 配合「機械下傾角」（Mechanical Downtilt）：微調天線實體傾斜角度，優化特定樓層或街區的覆蓋。
• 根據實測（Drive Test / Walk Test）和網管數據（掉話率、切換失敗率）反覆調整，找到最佳折衷點。
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3️⃣ 情境題：偏遠山區安裝行動網路基站的天線選擇
條件：經費有限、覆蓋範圍廣、用戶分散。
建議選擇：高增益定向天線或扇形天線
• 原因：
o 山區用戶通常集中於某些村落或道路，採用高增益定向或扇形天線可以將有限功率集中指向目標區域，拉長有效覆蓋距離。
o 成本比多座全向基站低，不需四面八方都覆蓋。
o 方向性強、干擾少，能在有限資源下達到最大覆蓋效益。
如果確實需要環狀覆蓋（例如山頂同時服務四周村落），才考慮全向天線，但通常這會增加發射功率需求與干擾風險，成本也較高。
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✅ 五、小結與啟示
• 增益：提高方向集中度與距離，但波束變窄。
• 極化：匹配才能減少損耗、提升品質。
• 安裝實務：高度、下傾、隔離與接地都影響網路效果。
👉 一句話總結：天線進階技術不只在硬體本身，更在整體系統設計與現場安裝，決定了網路品質與穩定性。
