LTE天线单体性能表现更优 - 相关性调降不易 LTE MIMO天线设计迎挑战

　　．场型分集（Pattern Diversity）

　　若两支天线在整个空间中的辐射场型互不重叠，纵使两者的极化相同，此二天线个别看到的传输路径仍然是完全不同的。因此，依照通道容量理论，即使这组天线对在距离相当靠近的情况下，同样可以达到最大的通道容量。不过，实际的多输入多输出天线系统是无法完全采用场型分集的观点进行设计，因为不论是手持设备、笔记型电脑或桌上型电脑等，设计者都希望每一支天线单体拥有全方向性（Omnidirectional）的辐射场型，以避免讯号死角，所以如果不改变天线单体的设计，多输入多输出系统的每一支天线必然会有重叠的辐射场型，因而降低场型分集的效果。

　　总的来说，在多输入多输出系统中，设计者会同时使用上述的三种观点来降低每一支天线所收到的讯号之间的相关性。以目前大多数支援LTE规格的手机或平板电脑而言，往往需要两支天线接收来自基地台的讯号，所以当完成了天线单体的设计后，设计者可以试着把两支天线放在手机或是平板电脑的角落，尽可能增加距离及空间分集的效果，并且将两支天线摆置在互相垂直的方向，而达到极化分集，最后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效果。但是在设计空间极端受限的情况下，例如两支天线必须平行放置在设备的同一侧时，上述的三种观点便无法直接提供设计者其他的设计方案以降低讯号的相关性。在解决此设计难题之前，我们须要先思考如何利用既有的天线参数，例如辐射场型、工作频宽或是辐射效率等，去量化或是用公式表达讯号的相关性，再由公式观察该如何利用这些既有的天线参数来降低讯号的相关性以及相对应的做法和设计方式。

　　在参考文献［1］当中，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系统的讯号相关性。封包相关系数的数学式如下：

　　……方程式1

　　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，须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，所以相当耗费数值计算及量测时间。因此，在参考文献［2］中就提出利用S参数（Scattering Parameters），以简化封包相关系数的计算而得到下列的数学式：

　　……方程式2

　　此数学式省去了繁琐的球体积分，并且说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，表示每支天线所收到的讯号几乎都是来自不同的传输路径，因而有极低的讯号相关性。

　　调整电磁耦合结构/讯号相关性　LTE天线单体性能表现更优

　　上述结论提供了设计者两个非常明确的目标去降低讯号的相关性。其一，调整多输入多输出天线系统中每一个天线单体的结构及设计，以达到最佳的阻抗匹配，因此，一般而言，在所考虑的工作频宽范围内，天线单体的反射损耗均需大于10dB。其二，降低天线单体之间的电磁耦合（Mutual Coupling），以提高隔离度；除了前述利用空间、极化、场型分集等想法去调整每个天线单体的位置及结构外，许多设计者开始思考如何在天线单体之间置入可以降低电磁耦合的结构，或是在天线单体的输入端设计去耦合电路（Decoupling Network）。

　　然而，要同时达到这两个设计目标仍然十分具有挑战性，这是因为大部分的去耦合结构都会改变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变其辐射场型及效率。以LTE及LTE-A为例，为了支援所有开放使用的频段，天线单体本身就是一个多频带的设计，一般会包括700MHz至 900MHz、1800MHz至1900MHz、2100MHz及2600MHz等频段，因此，去耦合电路除了要能够在此多个频段内有效地降低天线间的电磁耦合外，同时也要能够减少对天线单体的影响。在实际的设计过程中，设计者往往需要在去耦合电路、天线单体的结构及位置上进行反覆的调整，从而在这两个设计目标上达到最佳的取舍。

　　虽然参考文献［2］利用微波网路分析中常用的S参数重新推导了一组天线对的封包相关系数，但在参考文献 ［3］当中利用了同时兼具极化分集及场型分集的两支天线，据以比较参考文献［2］所提出之公式与在参考文献［1］中最原始的封包相关系数公式，发现两者所得到的数值仍然有明显的差异，而且利用参考文献［2］的公式往往会得到较小的封包相关系数，其主要原因为参考文献［2］在推导过程中，假设了每一支天线的效率均为百分之百，但实际上效率为百分之百的天线是不存在的，因此，利用S参数所计算得到的数值会低估了实际的封包相关系数。

　　以目前业界的做法，当多输入多输出天线系统中的每一支天线都能够达到前述的两个设计目标之后，会再详细地量测每一支天线各自的复数辐射场型，并据以计算封包相关系数，确认多输入多输出天线系统的确具有较低的讯号相关性。

　　当无线通讯规格的制定仍持续着眼于更进一步提高资料的传输速率，而不增加既有的开放频谱，则使用多输入多输出架构的射频系统将会持续为产品开发者及工程师带来许多挑战。最后，本文以LTE及LTE-A的多输入多输出天线设计为例，让读者了解目前天线设计者所面临的挑战。现今LTE及LTE-A所开放使用的最低频段为700MHz，如果天线单体使用的是一般的平面倒F型天线或是单极天线（Monopole Antenna），天线需要约四分之一波长的长度，换算下来大约为10公分，虽然目前大尺寸的智能手机逐渐成为市场主流，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，同时还必须让两支天线之间有甚小的封包相关系数，仍十分考验工程师的设计经验及研发能力。

　　（本文作者陈士元为***大学电机系暨电信所教授；赖建伯为戴尔电脑电子研发副理）