訊號相關(guān)性調(diào)降不易　LTE MIMO天線設(shè)計挑戰(zhàn)大

由于智慧型手機(jī)及平板電腦日益普及，一般消費者除了要求此類手持裝置須具備極佳的無線網(wǎng)路連線品質(zhì)之外，對于資料傳輸速率的要求更是日益嚴(yán)苛。從 HSDPA(High-Speed Downlink Packet Access)到長程演進(jìn)計畫(LTE)，最高下載速度由14.4Mbit/s提升至300Mbit/s，而未來的先進(jìn)長程演進(jìn)計畫(LTE-A)更是以 1Gbit/s為目標(biāo)來制定相關(guān)的通訊規(guī)格、技術(shù)及硬體需求。

另一方面，多輸入多輸出(MIMO)這項技術(shù)可以在毋須增加現(xiàn)有的頻寬及總發(fā)射功率的情況下，有效地提升發(fā)送及接收機(jī)之間的傳送距離及資料吞吐量。多輸入多 輸出顧名思義就是在收發(fā)機(jī)的設(shè)計中各自裝有多支天線，以增加傳送端及接收端所看到無線通道或是傳輸路徑個數(shù)，圖1即為一個3×3的多輸入多輸出系統(tǒng)，在傳 送及接收端各自有三根天線，故總共會有九個不同的傳輸路徑，而系統(tǒng)則會從中選擇或合成出較佳的訊號以對抗通道衰落(Fading)的影響。因此，在目前支 援高速傳輸?shù)男袆油ㄓ嵰?guī)格中，不論是LTE及未來的LTE-A或是IEEE 802.11ac標(biāo)準(zhǔn)，均制定相關(guān)的規(guī)格，也就是要求傳送端及接收端應(yīng)配置有兩支以上的天線，但這對于相關(guān)的產(chǎn)品開發(fā)也帶來若干的挑戰(zhàn)。

圖1　3×3多輸入多輸出天線系統(tǒng)示意圖

LTE/LTE-A邁入MIMO時代　天線陣列設(shè)計備受挑戰(zhàn)

在多輸入多輸出系統(tǒng)的天線設(shè)計上，除了每一個天線單體都要有足夠的輻射效率、工作頻寬以及避免訊號死角外，最大的挑戰(zhàn)在于確保每個天線單體所收到的訊號之間 具有極低的訊號相關(guān)性，這也意謂著每個天線所收到的電磁訊號是來自不同的傳輸路徑，而由通道容量(Channel Capacity)理論已知：在此前提之下，多輸入多輸出系統(tǒng)將可達(dá)到最大的通道容量及資料傳輸速率。

有三種物理上的觀點值得參考，意在藉由天線單體的設(shè)計及配置來降低一組天線對之間的訊號相關(guān)性。

空間分集(Spatial Diversity)

最簡易的做法便是將天線之間的距離增加至半個波長以上，或?qū)⑻炀€分散放置在空間中相隔甚遠(yuǎn)的地方(圖2)，如此一來，每一支天線所收到的電磁訊號就有極大的 機(jī)會是來自不同的傳輸路徑，這是最直接可以降低訊號相關(guān)性的做法，且不須要對原本的天線單體進(jìn)行調(diào)整，可以節(jié)省系統(tǒng)設(shè)計的時間，也因此被大量應(yīng)用在筆記型 電腦、桌上型電腦及一體機(jī)的開發(fā)當(dāng)中；然而，對于手持裝置而言，這種做法并不實際。以LTE的700MHz頻段為例，天線必須相距20公分以上，才會出現(xiàn) 明顯的空間分集效果。

圖2　空間分集示意圖

極化分集(Polarization Diversity)

例如當(dāng)兩支天線各自擁有水平極化和垂直極化的輻射場型時(圖3)，即使天線擺放的位置相當(dāng)靠近，所收到的訊號仍是互相正交(Orthogonal)，經(jīng)由計 算可得知其訊號之相關(guān)性為零。雖然理論上而言，此種觀點可以達(dá)到多輸入多輸出系統(tǒng)的最大通道容量，且天線單體擺放位置得以相當(dāng)靠近，但在實際設(shè)計上卻有若干限制。

圖3　極化分集示意圖，水平極化為虛線，垂直極化為點虛線。

首先，在遠(yuǎn)場的電磁輻射中，只有水平和垂直兩種互相正交的極化，所以對于傳送端或接收端而言，如果為了提高傳輸速度而配置了超過兩支以上的天線，則勢必會有 兩個天線單體擁有相同或非正交之極化，因而破壞了極化分集的效果；其次，實際上，天線單體的輻射場型大多同時擁有這兩種極化，只是依輻射場的能量大小可區(qū) 分為主極化(Co-polarization)及交叉極化(Cross-polarization)，所以在一組天線當(dāng)中即使兩支天線的主極化可以做到完 美的極化分集，但因為兩支天線相互的主極化和交叉極化之間并無法做到極化分集，導(dǎo)致這組天線對的訊號相關(guān)性也會因此提高。然而，對于手持裝置而言，調(diào)整每 一個天線單體的結(jié)構(gòu)或擺置方向，讓距離遠(yuǎn)小于半波長的天線對擁有正交的主極化輻射場型，是在設(shè)計空間受限的情況下最常采用的做法。

場型分集(Pattern Diversity)

若兩支天線在整個空間中的輻射場型互不重疊，縱使兩者的極化相同，此二天線個別看到的傳輸路徑仍然是完全不同的。因此，依照通道容量理論，即使這組天線對在 距離相當(dāng)靠近的情況下，同樣可以達(dá)到最大的通道容量。不過，實際的多輸入多輸出天線系統(tǒng)是無法完全采用場型分集的觀點進(jìn)行設(shè)計，因為不論是手持裝置、筆記 型電腦或桌上型電腦等，設(shè)計者都希望每一支天線單體擁有全方向性(Omnidirectional)的輻射場型，以避免訊號死角，所以如果不改變天線單體 的設(shè)計，多輸入多輸出系統(tǒng)的每一支天線必然會有重疊的輻射場型，因而降低場型分集的效果。

總的來說，在多輸入多輸出系統(tǒng)中，設(shè)計者會同時使用上述的三種觀點來降低每一支天線所收到的訊號之間的相關(guān)性。以目前大多數(shù)支援LTE規(guī)格的手機(jī)或平板電腦 而言，往往需要兩支天線接收來自基地臺的訊號，所以當(dāng)完成了天線單體的設(shè)計后，設(shè)計者可以試著把兩支天線放在手機(jī)或是平板電腦的角落，盡可能增加距離及空 間分集的效果，并且將兩支天線擺置在互相垂直的方向，而達(dá)到極化分集，最后再調(diào)整天線單體的結(jié)構(gòu)讓主極化的輻射場型可以有場型分集的效果。但是在設(shè)計空間 極端受限的情況下，例如兩支天線必須平行放置在裝置的同一側(cè)時，上述的三種觀點便無法直接提供設(shè)計者其他的設(shè)計方案以降低訊號的相關(guān)性。在解決此設(shè)計難題 之前，我們須要先思考如何利用既有的天線參數(shù)，例如輻射場型、工作頻寬或是輻射效率等，去量化或是用公式表達(dá)訊號的相關(guān)性，再由公式觀察該如何利用這些既 有的天線參數(shù)來降低訊號的相關(guān)性以及相對應(yīng)的做法和設(shè)計方式。

引入了封包相關(guān)系數(shù)(Envelope Correlation Coefficient, ECC)，可以直接對應(yīng)到多輸入多輸出天線系統(tǒng)的訊號相關(guān)性。封包相關(guān)系數(shù)的數(shù)學(xué)式如下：

其 中及代表的是兩支天線單體的向量輻射場型，包含了主極化及交叉極化。在上述的數(shù)學(xué)式中，須要將天線各自的輻射場型(包含其振幅及相位)做兩兩之間的內(nèi)積并 對整個球體空間(4立體角)做積分，所以相當(dāng)耗費數(shù)值計算及量測時間。

此數(shù)學(xué)式省去了繁瑣的球體積分，并且說明了當(dāng)每支天線都有極佳的阻抗匹配，且天線之間有較高的隔離度(Isolation)時，此一天線對的封包相關(guān)系數(shù)將趨近于零，表示每支天線所收到的訊號幾乎都是來自不同的傳輸路徑，因而有極低的訊號相關(guān)性。

調(diào)整電磁耦合結(jié)構(gòu)/訊號相關(guān)性　LTE天線單體性能表現(xiàn)更優(yōu)

上述結(jié)論提供了設(shè)計者兩個非常明確的目標(biāo)去降低訊號的相關(guān)性。其一，調(diào)整多輸入多輸出天線系統(tǒng)中每一個天線單體的結(jié)構(gòu)及設(shè)計，以達(dá)到最佳的阻抗匹配，因此， 一般而言，在所考慮的工作頻寬范圍內(nèi)，天線單體的反射損耗均需大于10dB。其二，降低天線單體之間的電磁耦合(Mutual Coupling)，以提高隔離度；除了前述利用空間、極化、場型分集等想法去調(diào)整每個天線單體的位置及結(jié)構(gòu)外，許多設(shè)計者開始思考如何在天線單體之間置 入可以降低電磁耦合的結(jié)構(gòu)，或是在天線單體的輸入端設(shè)計去耦合電路(Decoupling Network)。

然而，要同時達(dá)到這兩個設(shè)計目標(biāo)仍然十分具有挑戰(zhàn)性，這是因為大部分的去耦合結(jié)構(gòu)都會改變天線單體的輸入阻抗及輻射特性，而破壞了原先天線單體的阻抗匹配， 讓天線單體的頻寬變小或是改變其輻射場型及效率。以LTE及LTE-A為例，為了支援所有開放使用的頻段，天線單體本身就是一個多頻帶的設(shè)計，一般會包括 700MHz至900MHz、1800MHz至1900MHz、2100MHz及2600MHz等頻段，因此，去耦合電路除了要能夠在此多個頻段內(nèi)有效地 降低天線間的電磁耦合外，同時也要能夠減少對天線單體的影響。在實際的設(shè)計過程中，設(shè)計者往往需要在去耦合電路、天線單體的結(jié)構(gòu)及位置上進(jìn)行反覆的調(diào)整， 從而在這兩個設(shè)計目標(biāo)上達(dá)到最佳的取舍。

雖然利用微波網(wǎng)路分析中常用的S參數(shù)重新推導(dǎo)了一組天線對的封包相關(guān)系數(shù)，但當(dāng)中利用了同時兼具極化分集及場型分集的兩支天 線，據(jù)以比較所提出之公式與在中最原始的封包相關(guān)系數(shù)公式，發(fā)現(xiàn)兩者所得到的數(shù)值仍然有明顯的差異，而且利用 的公式往往會得到較小的封包相關(guān)系數(shù)，其主要原因為參考文獻(xiàn)[2]在推導(dǎo)過程中，假設(shè)了每一支天線的效率均為百分之百，但實際上效率為百分之百的天線是不 存在的，因此，利用S參數(shù)所計算得到的數(shù)值會低估了實際的封包相關(guān)系數(shù)。

以目前業(yè)界的做法，當(dāng)多輸入多輸出天線系統(tǒng)中的每一支天線都能夠達(dá)到前述的兩個設(shè)計目標(biāo)之后，會再詳細(xì)地量測每一支天線各自的復(fù)數(shù)輻射場型，并據(jù)以計算封包相關(guān)系數(shù)，確認(rèn)多輸入多輸出天線系統(tǒng)的確具有較低的訊號相關(guān)性。

當(dāng)無線通訊規(guī)格的制定仍持續(xù)著眼于更進(jìn)一步提高資料的傳輸速率，而不增加既有的開放頻譜，則使用多輸入多輸出架構(gòu)的射頻系統(tǒng)將會持續(xù)為產(chǎn)品開發(fā)者及工程師帶 來許多挑戰(zhàn)。最后，本文以LTE及LTE-A的多輸入多輸出天線設(shè)計為例，讓讀者了解目前天線設(shè)計者所面臨的挑戰(zhàn)?，F(xiàn)今LTE及LTE-A所開放使用的最 低頻段為700MHz，如果天線單體使用的是一般的平面倒F型天線或是單極天線(Monopole Antenna)，天線需要約四分之一波長的長度，換算下來大約為10公分，雖然目前大尺寸的智慧型手機(jī)逐漸成為市場主流，但要將既有的天線單體縮小，并 將兩支天線放置在面板為五到六寸的手機(jī)內(nèi)，同時還必須讓兩支天線之間有甚小的封包相關(guān)系數(shù)，仍十分考驗工程師的設(shè)計經(jīng)驗及研發(fā)能力。