讯号相关性调降不易　LTE MIMO天线设计挑战大

LTE与LTE-A大幅采用多重输入多重输出(MIMO)技术，为相关装置和设备开发商带来艰钜的天线设计挑战；特别是要在有限配置空间内，达到每支天线所收到的讯号之间具有极低的相关性极为不易，十分考验工程师的实作经验与研发能力。

由于智慧型手机及平板电脑日益普及，一般消费者除了要求此类手持装置须具备极佳的无线网路连线品质之外，对于资料传输速率的要求更是日益严苛。从 HSDPA(High-Speed Downlink Packet Access)到长程演进计画(LTE)，最高下载速度由14.4Mbit/s提升至300Mbit/s，而未来的先进长程演进计画(LTE-A)更是以 1Gbit/s为目标来制定相关的通讯规格、技术及硬体需求。

另一方面，多输入多输出(MIMO)这项技术可以在毋须增加现有的频宽及总发射功率的情况下，有效地提升发送及接收机之间的传送距离及资料吞吐量。多输入多 输出顾名思义就是在收发机的设计中各自装有多支天线，以增加传送端及接收端所看到无线通道或是传输路径个数，图1即为一个3×3的多输入多输出系统，在传 送及接收端各自有三根天线，故总共会有九个不同的传输路径，而系统则会从中选择或合成出较佳的讯号以对抗通道衰落(Fading)的影响。因此，在目前支 援高速传输的行动通讯规格中，不论是LTE及未来的LTE-A或是IEEE 802.11ac标准，均制定相关的规格，也就是要求传送端及接收端应配置有两支以上的天线，但这对于相关的产品开发也带来若干的挑战。

图1　3×3多输入多输出天线系统示意图

在多输入多输出系统的天线设计上，除了每一个天线单体都要有足够的辐射效率、工作频宽以及避免讯号死角外，最大的挑战在于确保每个天线单体所收到的讯号之间 具有极低的讯号相关性，这也意谓着每个天线所收到的电磁讯号是来自不同的传输路径，而由通道容量(Channel Capacity)理论已知：在此前提之下，多输入多输出系统将可达到最大的通道容量及资料传输速率。

有三种物理上的观点值得参考，意在藉由天线单体的设计及配置来降低一组天线对之间的讯号相关性。

空间分集(Spatial Diversity)

最简易的做法便是将天线之间的距离增加至半个波长以上，或将天线分散放置在空间中相隔甚远的地方(图2)，如此一来，每一支天线所收到的电磁讯号就有极大的 机会是来自不同的传输路径，这是最直接可以降低讯号相关性的做法，且不须要对原本的天线单体进行调整，可以节省系统设计的时间，也因此被大量应用在笔记型 电脑、桌上型电脑及一体机的开发当中；然而，对于手持装置而言，这种做法并不实际。以LTE的700MHz频段为例，天线必须相距20公分以上，才会出现 明显的空间分集效果。

图2　空间分集示意图

例如当两支天线各自拥有水平极化和垂直极化的辐射场型时(图3)，即使天线摆放的位置相当靠近，所收到的讯号仍是互相正交(Orthogonal)，经由计 算可得知其讯号之相关性为零。虽然理论上而言，此种观点可以达到多输入多输出系统的最大通道容量，且天线单体摆放位置得以相当靠近，但在实际设计上却有若干限制。

图3　极化分集示意图，水平极化为虚线，垂直极化为点虚线。

首先，在远场的电磁辐射中，只有水平和垂直两种互相正交的极化，所以对于传送端或接收端而言，如果为了提高传输速度而配置了超过两支以上的天线，则势必会有 两个天线单体拥有相同或非正交之极化，因而破坏了极化分集的效果；其次，实际上，天线单体的辐射场型大多同时拥有这两种极化，只是依辐射场的能量大小可区 分为主极化(Co-polarization)及交叉极化(Cross-polarization)，所以在一组天线当中即使两支天线的主极化可以做到完 美的极化分集，但因为两支天线相互的主极化和交叉极化之间并无法做到极化分集，导致这组天线对的讯号相关性也会因此提高。然而，对于手持装置而言，调整每 一个天线单体的结构或摆置方向，让距离远小于半波长的天线对拥有正交的主极化辐射场型，是在设计空间受限的情况下最常采用的做法。

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，因为不论是手持装置、笔记 型电脑或桌上型电脑等