訊號相關(guān)性調降不易　LTE MIMO天線(xiàn)設計挑戰大

由于智慧型手機及平板電腦日益普及，一般消費者除了要求此類(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，對于資料傳輸速率的要求更是日益嚴苛。從 HSDPA(High-Speed Downlink Packet Access)到長(cháng)程演進(jìn)計畫(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(cháng)程演進(jìn)計畫(huà)(LTE-A)更是以 1Gbit/s為目標來(lái)制定相關(guān)的通訊規格、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)機的設計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，圖1即為一個(gè)3×3的多輸入多輸出系統，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，而系統則會(huì )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 援高速傳輸的行動(dòng)通訊規格中，不論是LTE及未來(lái)的LTE-A或是IEEE 802.11ac標準，均制定相關(guān)的規格，也就是要求傳送端及接收端應配置有兩支以上的天線(xiàn)，但這對于相關(guān)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)也帶來(lái)若干的挑戰。

圖1　3×3多輸入多輸出天線(xiàn)系統示意圖

在多輸入多輸出系統的天線(xiàn)設計上，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死角外，最大的挑戰在于確保每個(gè)天線(xiàn)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(zhù)每個(gè)天線(xiàn)所收到的電磁訊號是來(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，多輸入多輸出系統將可達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)單體的設計及配置來(lái)降低一組天線(xiàn)對之間的訊號相關(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(cháng)以上，或將天線(xiàn)分散放置在空間中相隔甚遠的地方(圖2)，如此一來(lái)，每一支天線(xiàn)所收到的電磁訊號就有極大的 機會(huì )是來(lái)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(xiàn)單體進(jìn)行調整，可以節省系統設計的時(shí)間，也因此被大量應用在筆記型 電腦、桌上型電腦及一體機的開(kāi)發(fā)當中；然而，對于手持裝置而言，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 明顯的空間分集效果。

圖2　空間分集示意圖

例如當兩支天線(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(guān)點(diǎn)可以達到多輸入多輸出系統的最大通道容量，且天線(xiàn)單體擺放位置得以相當靠近，但在實(shí)際設計上卻有若干限制。

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 分為主極化(Co-polarization)及交叉極化(Cross-polarization)，所以在一組天線(xiàn)當中即使兩支天線(xiàn)的主極化可以做到完 美的極化分集，但因為兩支天線(xiàn)相互的主極化和交叉極化之間并無(wú)法做到極化分集，導致這組天線(xiàn)對的訊號相關(guān)性也會(huì )因此提高。然而，對于手持裝置而言，調整每 一個(gè)天線(xiàn)單體的結構或擺置方向，讓距離遠小于半波長(cháng)的天線(xiàn)對擁有正交的主極化輻射場(chǎng)型，是在設計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)對在 距離相當靠近的情況下，同樣可以達到最大的通道容量。不過(guò)，實(shí)際的多輸入多輸出天線(xiàn)系統是無(wú)法完全采用場(chǎng)型分集的觀(guān)點(diǎn)進(jìn)行設計，因為不論是手持裝置、筆記 型電腦或桌上型電腦等，設計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，以避免訊號死角，所以如果不改變天線(xiàn)單體 的設計，多輸入多輸出系統的每一支天線(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中，設計者會(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)所收到的訊號之間的相關(guān)性。以目前大多數支援LTE規格的手機或平板電腦 而言，往往需要兩支天線(xiàn)接收來(lái)自基地臺的訊號，所以當完成了天線(xiàn)單體的設計后，設計者可以試著(zhù)把兩支天線(xiàn)放在手機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，而達到極化分集，最后再調整天線(xiàn)單體的結構讓主極化的輻射場(chǎng)型可以有場(chǎng)型分集的效果。但是在設計空間 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時(shí)，上述的三種觀(guān)點(diǎn)便無(wú)法直接提供設計者其他的設計方案以降低訊號的相關(guān)性。在解決此設計難題 之前，我們須要先思考如何利用既有的天線(xiàn)參數，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訊號的相關(guān)性，再由公式觀(guān)察該如何利用這些既 有的天線(xiàn)參數來(lái)降低訊號的相關(guān)性以及相對應的做法和設計方式。

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)做兩兩之間的內積并 對整個(gè)球體空間(4立體角)做積分，所以相當耗費數值計算及量測時(shí)間。

此數學(xué)式省去了繁瑣的球體積分，并且說(shuō)明了當每支天線(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)對的封包相關(guān)系數將趨近于零，表示每支天線(xiàn)所收到的訊號幾乎都是來(lái)自不同的傳輸路徑，因而有極低的訊號相關(guān)性。

上述結論提供了設計者兩個(gè)非常明確的目標去降低訊號的相關(guān)性。其一，調整多輸入多輸出天線(xiàn)系統中每一個(gè)天線(xiàn)單體的結構及設計，以達到最佳的阻抗匹配，因此， 一般而言，在所考慮的工作頻寬范圍內，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)型分集等想法去調整每個(gè)天線(xiàn)單體的位置及結構外，許多設計者開(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構，或是在天線(xiàn)單體的輸入端設計去耦合電路(Decoupling Network)。

然而，要同時(shí)達到這兩個(gè)設計目標仍然十分具有挑戰性，這是因為大部分的去耦合結構都會(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)多頻帶的設計，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)也要能夠減少對天線(xiàn)單體的影響。在實(shí)際的設計過(guò)程中，設計者往往需要在去耦合電路、天線(xiàn)單體的結構及位置上進(jìn)行反覆的調整， 從而在這兩個(gè)設計目標上達到最佳的取舍。

雖然利用微波網(wǎng)路分析中常用的S參數重新推導了一組天線(xiàn)對的封包相關(guān)系數，但當中利用了同時(shí)兼具極化分集及場(chǎng)型分集的兩支天 線(xiàn)，據以比較所提出之公式與在中最原始的封包相關(guān)系數公式，發(fā)現兩者所得到的數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，其主要原因為參考文獻[2]在推導過(guò)程中，假設了每一支天線(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參數所計算得到的數值會(huì )低估了實(shí)際的封包相關(guān)系數。

以目前業(yè)界的做法，當多輸入多輸出天線(xiàn)系統中的每一支天線(xiàn)都能夠達到前述的兩個(gè)設計目標之后，會(huì )再詳細地量測每一支天線(xiàn)各自的復數輻射場(chǎng)型，并據以計算封包相關(guān)系數，確認多輸入多輸出天線(xiàn)系統的確具有較低的訊號相關(guān)性。

當無(wú)線(xiàn)通訊規格的制定仍持續著(zhù)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的射頻系統將會(huì )持續為產(chǎn)品開(kāi)發(fā)者及工程師帶 來(lái)許多挑戰。最后，本文以L(fǎng)TE及LTE-A的多輸入多輸出天線(xiàn)設計為例，讓讀者了解目前天線(xiàn)設計者所面臨的挑戰?，F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(cháng)的長(cháng)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內，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，仍十分考驗工程師的設計經(jīng)驗及研發(fā)能力。