信号相关性调降不易　LTE MIMO天线规划应战大

由于智慧型手机及平板电脑日益遍及，一般顾客除了要求此类手持设备须具有极佳的无线网路连线质量之外，关于材料传输速率的要求更是日益苛刻。从 HSDPA(High-Speed Downlink Packet Access)到长程演进计画(LTE)，最高下载速度由14.4Mbit/s进步至300Mbit/s，而未来的先进长程演进计画(LTE-A)更是以 1Gbit/s为方针来拟定相关的通讯规范、技能及硬体需求。

另一方面，多输入多输出(MIMO)这项技能可以在毋须添加现有的频宽及总发射功率的情况下，有效地进步发送及接纳机之间的传送间隔及材料吞吐量。多输入多 输出望文生义便是在收发机的规划中各自装有多支天线，以添加传送端及接纳端所看到无线通道或是传输途径个数，图1即为一个3×3的多输入多输出体系，在传 送及接纳端各自有三根天线，故一共会有九个不同的传输途径，而体系则会从中挑选或组成出较佳的信号以对立通道式微(Fading)的影响。因而，在现在支 援高速传输的举动通讯规范中，不论是LTE及未来的LTE-A或是IEEE 802.11ac规范，均拟定相关的规范，也便是要求传送端及接纳端应装备有两支以上的天线，但这关于相关的产品开发也带来若干的应战。

图1　3×3多输入多输出天线体系示意图

LTE/LTE-A迈入MIMO年代　天线阵列规划备受应战

在多输入多输出体系的天线规划上，除了每一个天线单体都要有满足的辐射功率、作业频宽以及防止信号死角外，最大的应战在于保证每个天线单体所收到的信号之间 具有极低的信号相关性，这也意谓着每个天线所收到的电磁信号是来自不同的传输途径，而由通道容量(Channel Capacity)理论已知：在此条件之下，多输入多输出体系将可到达最大的通道容量及材料传输速率。

有三种物理上的观念值得参阅，意在藉由天线单体的规划及装备来下降一组天线对之间的信号相关性。

空间分集(Spatial Diversity)

最简易的做法便是将天线之间的间隔添加至半个波长以上，或将天线涣散放置在空间中相隔甚远的当地(图2)，如此一来，每一支天线所收到的电磁信号就有极大的 机会是来自不同的传输途径，这是最直接可以下降信号相关性的做法，且不需要对本来的天线单体进行调整，可以节约体系规划的时刻，也因而被很多应用在笔记型 电脑、桌上型电脑及一体机的开发傍边；但是，关于手持设备而言，这种做法并不实践。以LTE的700MHz频段为例，天线有必要相距20公分以上，才会呈现 显着的空间分集作用。

图2　空间分集示意图

极化分集(Polarization Diversity)

例如当两支天线各自具有水平极化和笔直极化的辐射场型时(图3)，即便天线摆放的方位适当接近，所收到的信号仍是彼此正交(Orthogonal)，经由计 算可得知其信号之相关性为零。尽管理论上而言，此种观念可以到达多输入多输出体系的最大通道容量，且天线单体摆放方位得以适当接近，但在实践规划上却有若干约束。

图3　极化分集示意图，水平极化为虚线，笔直极化为点虚线。

首要，在远场的电磁辐射中，只要水平缓笔直两种彼此正交的极化，所以关于传送端或接纳端而言，假如为了进步传输速度而装备了超越两支以上的天线，则必定会有 两个天线单体具有相同或非正交之极化，因而破坏了极化分集的作用；其次，实践上，天线单体的辐射场型大多一起具有这两种极化，仅仅依辐射场的能量大小可区 分为主极化(Co-polarization)及交叉极化(Cross-polarization)，所以在一组天线傍边即便两支天线的主极化可以做到完 美的极化分集，但由于两支天线彼此的主极化和交叉极化之间并无法做到极化分集，导致这组天线对的信号相关性也会因而进步。但是，关于手持设备而言，调整每 一个天线单体的结构或摆置方向，让间隔远小于半波长的天线对具有正交的主极化辐射场型，是在规划空间受限的情况下最常选用的做法。

场型分集(Pattern Diversity)

若两支天线在整个空间中的辐射场型互不堆叠，纵使两者的极化相同，此二天线单个看到的传输途径依然是彻底不同的。因而，按照通道容量理论，即便这组天线对在 间隔适当接近的情况下，相同可以到达最大的通道容量。不过，实践的多输入多输出天线体系是无法彻底选用场型分集的观念进行规划，由于不论是手持设备、笔记 型电脑或桌上型电脑等，规划者都期望每一支天线单体具有全方向性(Omnidirectional)的辐射场型，以防止信号死角，所以假如不改动天线单体 的规划，多输入多输出体系的每一支天线必定会有堆叠的辐射场型，因而下降场型分集的作用。

总的来说，在多输入多输出体系中，规划者会一起运用上述的三种观念来下降每一支天线所收到的信号之间的相关性。以现在大多数援助LTE规范的手机或平板电脑 而言，往往需求两支天线接纳来自基地台的信号，所以当完成了天线单体的规划后，规划者可以试着把两支天线放在手机或是平板电脑的旮旯，尽可能添加间隔及空 间分集的作用，并且将两支天线摆置在彼此笔直的方向，而到达极化分集，最终再调整天线单体的结构让主极化的辐射场型可以有场型分集的作用。但是在规划空间 极点受限的情况下，例如两支天线有必要平行放置在设备的同一侧时，上述的三种观念便无法直接供给规划者其他的规划方案以下降信号的相关性。在处理此规划难题 之前，咱们需要先考虑怎么运用既有的天线参数，例如辐射场型、作业频宽或是辐射功率等，去量化或是用公式表达信号的相关性，再由公式调查该怎么运用这些既 有的天线参数来下降信号的相关性以及相对应的做法和规划方法。

引入了封包相关系数(Envelope Correlation Coefficient, ECC)，可以直接对应到多输入多输出天线体系的信号相关性。封包相关系数的数学式如下：

其 中及代表的是两支天线单体的向量辐射场型，包含了主极化及交叉极化。在上述的数学式中，需要将天线各自的辐射场型(包含其振幅及相位)做两两之间的内积并 对整个球体空间(4立体角)做积分，所以适当消耗数值核算及量测时刻。

此数学式省去了繁琐的球体积分，并且阐明了当每支天线都有极佳的阻抗匹配，且天线之间有较高的隔离度(Isolation)时，此一天线对的封包相关系数将趋近于零，表明每支天线所收到的信号简直都是来自不同的传输途径，因而有极低的信号相关性。

调整电磁耦合结构/信号相关性　LTE天线单体功能体现更优

上述定论供给了规划者两个非常清晰的方针去下降信号的相关性。其一，调整多输入多输出天线体系中每一个天线单体的结构及规划，以到达最佳的阻抗匹配，因而， 一般来说，在所考虑的作业频宽范围内，天线单体的反射损耗均需大于10dB。其二，下降天线单体之间的电磁耦合(Mutual Coupling)，以进步隔离度；除了前述运用空间、极化、场型分集等主意去调整每个天线单体的方位及结构外，许多规划者开端考虑怎么在天线单体之间置 入可以下降电磁耦合的结构，或是在天线单体的输入端规划去耦合电路(Decoupling Network)。

但是，要一起到达这两个规划方针依然非常具有应战性，这是由于大部分的去耦合结构都会改动天线单体的输入阻抗及辐射特性，而破坏了原先天线单体的阻抗匹配， 让天线单体的频宽变小或是改动其辐射场型及功率。以LTE及LTE-A为例，为了援助一切敞开运用的频段，天线单体自身便是一个多频带的规划，一般会包含 700MHz至900MHz、1800MHz至1900MHz、2100MHz及2600MHz等频段，因而，去耦合电路除了要可以在此多个频段内有效地 下降天线间的电磁耦合外，一起也要可以削减对天线单体的影响。在实践的规划过程中，规划者往往需求在去耦合电路、天线单体的结构及方位上进行反覆的调整， 然后在这两个规划方针上到达最佳的取舍。

尽管运用微波网路剖析中常用的S参数从头推导了一组天线对的封包相关系数，但傍边运用了一起兼具极化分集及场型分集的两支天 线，据以比较所提出之公式与在中最原始的封包相关系数公式，发现两者所得到的数值依然有显着的差异，并且运用 的公式往往会得到较小的封包相关系数，其主要原由于参阅文献[2]在推导过程中，假设了每一支天线的功率均为百分之百，但实践上功率为百分之百的天线是不 存在的，因而，运用S参数所核算得到的数值会轻视了实践的封包相关系数。

以现在业界的做法，当多输入多输出天线体系中的每一支天线都可以到达前述的两个规划方针之后，会再具体地量测每一支天线各自的复数辐射场型，并据以核算封包相关系数，承认多输入多输出天线体系确实具有较低的信号相关性。

当无线通讯规范的拟定仍继续着眼于更进一步进步材料的传输速率，而不添加既有的敞开频谱，则运用多输入多输出架构的射频体系将会继续为产品开发者及工程师带 来许多应战。最终，本文以LTE及LTE-A的多输入多输出天线规划为例，让读者了解现在天线规划者所面对的应战。如今LTE及LTE-A所敞开运用的最 低频段为700MHz，假如天线单体运用的是一般的平面倒F型天线或是单极天线(Monopole Antenna)，天线需求约四分之一波长的长度，换算下来大约为10公分，尽管现在大尺度的智慧型手机逐步成为商场干流，但要将既有的天线单体缩小，并 将两支天线放置在面板为五到六寸的手机内，一起还有必要让两支天线之间有甚小的封包相关系数，仍非常检测工程师的规划经历及研制才能。