相關(guān)性調(diào)降不易 LTE MIMO天線設(shè)計(jì)迎挑戰(zhàn)

　　LTE與LTE-A大幅采用多重輸入多重輸出（MIMO）技術(shù)，為相關(guān)設(shè)備和設(shè)備開發(fā)商帶來艱巨的天線設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)；特別是要在有限配置空間內(nèi)，達(dá)到每支天線所收到的訊號之間具有極低的相關(guān)性極為不易，十分考驗(yàn)工程師的實(shí)作經(jīng)驗(yàn)與研發(fā)能力。

　　由于智能手機(jī)及平板電腦日益普及，一般消費(fèi)者除了要求此類手持設(shè)備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(jì)劃（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(jì)劃（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(xiàng)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(jì)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&TImes;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&TImes;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(jì)備受挑戰(zhàn)

　　在多輸入多輸出系統(tǒng)的天線設(shè)計(jì)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(diǎn)值得參考，意在藉由天線單體的設(shè)計(jì)及配置來降低一組天線對之間的訊號相關(guān)性。

　?。臻g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(jì)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，對于手持設(shè)備而言，這種做法并不實(shí)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

　?。畼O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(jì)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(diǎn)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(shí)際設(shè)計(jì)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(diǎn)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(shí)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?yàn)閮芍炀€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，對于手持設(shè)備而言，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(jì)空間受限的情況下最常采用的做法。

　?。畧鲂头旨≒attern 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(shí)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(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，因?yàn)椴徽撌鞘殖衷O(shè)備、筆記型電腦或桌上型電腦等，設(shè)計(jì)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(jì)，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(jì)者會同時使用上述的三種觀點(diǎn)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(jì)后，設(shè)計(jì)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(jì)空間極端受限的情況下，例如兩支天線必須平行放置在設(shè)備的同一側(cè)時，上述的三種觀點(diǎn)便無法直接提供設(shè)計(jì)者其他的設(shè)計(jì)方案以降低訊號的相關(guān)性。在解決此設(shè)計(jì)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(jì)方式。

　　在參考文獻(xiàn)［1］當(dāng)中，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：

　　……方程式1

　　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(fèi)數(shù)值計(jì)算及量測時間。因此，在參考文獻(xiàn)［2］中就提出利用S參數(shù)（Scattering Parameters），以簡化封包相關(guān)系數(shù)的計(jì)算而得到下列的數(shù)學(xué)式：

　　……方程式2

　　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(jì)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(jì)，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(jì)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(jì)去耦合電路（Decoupling Network）。

　　然而，要同時達(dá)到這兩個設(shè)計(jì)目標(biāo)仍然十分具有挑戰(zhàn)性，這是因?yàn)榇蟛糠值娜ヱ詈辖Y(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(jì)，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(shí)際的設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)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(jì)目標(biāo)上達(dá)到最佳的取舍。

　　雖然參考文獻(xiàn)［2］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)，但在參考文獻(xiàn) ［3］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)以比較參考文獻(xiàn)［2］所提出之公式與在參考文獻(xiàn)［1］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，而且利用參考文獻(xiàn)［2］的公式往往會得到較小的封包相關(guān)系數(shù)，其主要原因?yàn)閰⒖嘉墨I(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(shí)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(jì)算得到的數(shù)值會低估了實(shí)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(jì)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(jì)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(jì)為例，讓讀者了解目前天線設(shè)計(jì)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能手機(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(yàn)工程師的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及研發(fā)能力。

　?。ū疚淖髡哧愂吭獮榕_灣大學(xué)電機(jī)系暨電信所教授；賴建伯為戴爾電腦電子研發(fā)副理）