訊號(hào)相關(guān)性調(diào)降不易　LTE MIMO天線(xiàn)設(shè)計(jì)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(fèi)者除了要求此類(lèi)手持裝置須具備極佳的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)路連線(xiàn)品質(zhì)之外，對(duì)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(zhǎng)程演進(jìn)計(jì)畫(huà)(LTE)，最高下載速度由14.4Mbit/s提升至300Mbit/s，而未來(lái)的先進(jìn)長(zhǎng)程演進(jìn)計(jì)畫(huà)(LTE-A)更是以 1Gbit/s為目標(biāo)來(lái)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(xiàn)，以增加傳送端及接收端所看到無(wú)線(xiàn)通道或是傳輸路徑個(gè)數(shù)，圖1即為一個(gè)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(xiàn)，故總共會(huì)有九個(gè)不同的傳輸路徑，而系統(tǒng)則會(huì)從中選擇或合成出較佳的訊號(hào)以對(duì)抗通道衰落(Fading)的影響。因此，在目前支 援高速傳輸?shù)男袆?dòng)通訊規(guī)格中，不論是LTE及未來(lái)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(xiàn)，但這對(duì)于相關(guān)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)也帶來(lái)若干的挑戰(zhàn)。

圖1　3×3多輸入多輸出天線(xiàn)系統(tǒng)示意圖

LTE/LTE-A邁入MIMO時(shí)代　天線(xiàn)陣列設(shè)計(jì)備受挑戰(zhàn)

在多輸入多輸出系統(tǒng)的天線(xiàn)設(shè)計(jì)上，除了每一個(gè)天線(xiàn)單體都要有足夠的輻射效率、工作頻寬以及避免訊號(hào)死角外，最大的挑戰(zhàn)在于確保每個(gè)天線(xiàn)單體所收到的訊號(hào)之間 具有極低的訊號(hào)相關(guān)性，這也意謂著每個(gè)天線(xiàn)所收到的電磁訊號(hào)是來(lái)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(guān)點(diǎn)值得參考，意在藉由天線(xiàn)單體的設(shè)計(jì)及配置來(lái)降低一組天線(xiàn)對(duì)之間的訊號(hào)相關(guān)性。

空間分集(Spatial Diversity)

最簡(jiǎn)易的做法便是將天線(xiàn)之間的距離增加至半個(gè)波長(zhǎng)以上，或?qū)⑻炀€(xiàn)分散放置在空間中相隔甚遠(yuǎn)的地方(圖2)，如此一來(lái)，每一支天線(xiàn)所收到的電磁訊號(hào)就有極大的 機(jī)會(huì)是來(lái)自不同的傳輸路徑，這是最直接可以降低訊號(hào)相關(guān)性的做法，且不須要對(duì)原本的天線(xiàn)單體進(jìn)行調(diào)整，可以節(jié)省系統(tǒng)設(shè)計(jì)的時(shí)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(kāi)發(fā)當(dāng)中；然而，對(duì)于手持裝置而言，這種做法并不實(shí)際。以L(fǎng)TE的700MHz頻段為例，天線(xiàn)必須相距20公分以上，才會(huì)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(xiàn)各自擁有水平極化和垂直極化的輻射場(chǎng)型時(shí)(圖3)，即使天線(xiàn)擺放的位置相當(dāng)靠近，所收到的訊號(hào)仍是互相正交(Orthogonal)，經(jīng)由計(jì) 算可得知其訊號(hào)之相關(guān)性為零。雖然理論上而言，此種觀(guān)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(xiàn)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(xiàn)，垂直極化為點(diǎn)虛線(xiàn)。

首先，在遠(yuǎn)場(chǎng)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(duì)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(guò)兩支以上的天線(xiàn)，則勢(shì)必會(huì)有 兩個(gè)天線(xiàn)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(xiàn)單體的輻射場(chǎng)型大多同時(shí)擁有這兩種極化，只是依輻射場(chǎng)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(xiàn)當(dāng)中即使兩支天線(xiàn)的主極化可以做到完 美的極化分集，但因?yàn)閮芍炀€(xiàn)相互的主極化和交叉極化之間并無(wú)法做到極化分集，導(dǎo)致這組天線(xiàn)對(duì)的訊號(hào)相關(guān)性也會(huì)因此提高。然而，對(duì)于手持裝置而言，調(diào)整每 一個(gè)天線(xiàn)單體的結(jié)構(gòu)或擺置方向，讓距離遠(yuǎn)小于半波長(zhǎng)的天線(xiàn)對(duì)擁有正交的主極化輻射場(chǎng)型，是在設(shè)計(jì)空間受限的情況下最常采用的做法。

場(chǎng)型分集(Pattern Diversity)

若兩支天線(xiàn)在整個(gè)空間中的輻射場(chǎng)型互不重疊，縱使兩者的極化相同，此二天線(xiàn)個(gè)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(xiàn)對(duì)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(guò)，實(shí)際的多輸入多輸出天線(xiàn)系統(tǒng)是無(wú)法完全采用場(chǎng)型分集的觀(guān)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，因?yàn)椴徽撌鞘殖盅b置、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(xiàn)單體擁有全方向性(Omnidirectional)的輻射場(chǎng)型，以避免訊號(hào)死角，所以如果不改變天線(xiàn)單體 的設(shè)計(jì)，多輸入多輸出系統(tǒng)的每一支天線(xiàn)必然會(huì)有重疊的輻射場(chǎng)型，因而降低場(chǎng)型分集的效果。

總的來(lái)說(shuō)，在多輸入多輸出系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)者會(huì)同時(shí)使用上述的三種觀(guān)點(diǎn)來(lái)降低每一支天線(xiàn)所收到的訊號(hào)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(xiàn)接收來(lái)自基地臺(tái)的訊號(hào)，所以當(dāng)完成了天線(xiàn)單體的設(shè)計(jì)后，設(shè)計(jì)者可以試著把兩支天線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)單體的結(jié)構(gòu)讓主極化的輻射場(chǎng)型可以有場(chǎng)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(xiàn)必須平行放置在裝置的同一側(cè)時(shí)，上述的三種觀(guān)點(diǎn)便無(wú)法直接提供設(shè)計(jì)者其他的設(shè)計(jì)方案以降低訊號(hào)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(xiàn)參數(shù)，例如輻射場(chǎng)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(hào)的相關(guān)性，再由公式觀(guān)察該如何利用這些既 有的天線(xiàn)參數(shù)來(lái)降低訊號(hào)的相關(guān)性以及相對(duì)應(yīng)的做法和設(shè)計(jì)方式。

引入了封包相關(guān)系數(shù)(Envelope Correlation Coefficient, ECC)，可以直接對(duì)應(yīng)到多輸入多輸出天線(xiàn)系統(tǒng)的訊號(hào)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(xiàn)單體的向量輻射場(chǎng)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(xiàn)各自的輻射場(chǎng)型(包含其振幅及相位)做兩兩之間的內(nèi)積并 對(duì)整個(gè)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(cè)時(shí)間。

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

調(diào)整電磁耦合結(jié)構(gòu)/訊號(hào)相關(guān)性　LTE天線(xiàn)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(gè)非常明確的目標(biāo)去降低訊號(hào)的相關(guān)性。其一，調(diào)整多輸入多輸出天線(xiàn)系統(tǒng)中每一個(gè)天線(xiàn)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(xiàn)單體的反射損耗均需大于10dB。其二，降低天線(xiàn)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(chǎng)型分集等想法去調(diào)整每個(gè)天線(xiàn)單體的位置及結(jié)構(gòu)外，許多設(shè)計(jì)者開(kāi)始思考如何在天線(xiàn)單體之間置 入可以降低電磁耦合的結(jié)構(gòu)，或是在天線(xiàn)單體的輸入端設(shè)計(jì)去耦合電路(Decoupling Network)。

然而，要同時(shí)達(dá)到這兩個(gè)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(huì)改變天線(xiàn)單體的輸入阻抗及輻射特性，而破壞了原先天線(xiàn)單體的阻抗匹配， 讓天線(xiàn)單體的頻寬變小或是改變其輻射場(chǎng)型及效率。以L(fǎng)TE及LTE-A為例，為了支援所有開(kāi)放使用的頻段，天線(xiàn)單體本身就是一個(gè)多頻帶的設(shè)計(jì)，一般會(huì)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(gè)頻段內(nèi)有效地 降低天線(xiàn)間的電磁耦合外，同時(shí)也要能夠減少對(duì)天線(xiàn)單體的影響。在實(shí)際的設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)者往往需要在去耦合電路、天線(xiàn)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(gè)設(shè)計(jì)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(xiàn)對(duì)的封包相關(guān)系數(shù)，但當(dāng)中利用了同時(shí)兼具極化分集及場(chǎng)型分集的兩支天 線(xiàn)，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(huì)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(guò)程中，假設(shè)了每一支天線(xiàn)的效率均為百分之百，但實(shí)際上效率為百分之百的天線(xiàn)是不 存在的，因此，利用S參數(shù)所計(jì)算得到的數(shù)值會(huì)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(xiàn)系統(tǒng)中的每一支天線(xiàn)都能夠達(dá)到前述的兩個(gè)設(shè)計(jì)目標(biāo)之后，會(huì)再詳細(xì)地量測(cè)每一支天線(xiàn)各自的復(fù)數(shù)輻射場(chǎng)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(xiàn)系統(tǒng)的確具有較低的訊號(hào)相關(guān)性。

當(dāng)無(wú)線(xiàn)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(kāi)放頻譜，則使用多輸入多輸出架構(gòu)的射頻系統(tǒng)將會(huì)持續(xù)為產(chǎn)品開(kāi)發(fā)者及工程師帶 來(lái)許多挑戰(zhàn)。最后，本文以L(fǎng)TE及LTE-A的多輸入多輸出天線(xiàn)設(shè)計(jì)為例，讓讀者了解目前天線(xiàn)設(shè)計(jì)者所面臨的挑戰(zhàn)。現(xiàn)今LTE及LTE-A所開(kāi)放使用的最 低頻段為700MHz，如果天線(xiàn)單體使用的是一般的平面倒F型天線(xiàn)或是單極天線(xiàn)(Monopole Antenna)，天線(xiàn)需要約四分之一波長(zhǎng)的長(zhǎng)度，換算下來(lái)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(chǎng)主流，但要將既有的天線(xiàn)單體縮小，并 將兩支天線(xiàn)放置在面板為五到六寸的手機(jī)內(nèi)，同時(shí)還必須讓兩支天線(xiàn)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。