一種710 MHz LTE天線的去耦合分析

摘要：為了提高天線的容量和發(fā)射接收速率，LTE通信系統(tǒng)使用了MIMO天線。由于移動終端上空間有限，多個天線間存在較大耦合，天線的輻射效率和通信容量會降低。為了解決這一問題，從S參數(shù)的角度推導(dǎo)出了天線的正交輻射模式，提出了通過加入180°耦合器來降低多個天線間耦合的方法。使用HFSS和ADS對設(shè)計好的710 MHz天線進(jìn)行聯(lián)合仿真，結(jié)果顯示加入耦舍器后，兩個天線間的耦合明顯減小。這種設(shè)計使得該天線可以很好地應(yīng)用于LTE通信系統(tǒng)的移動終端。
關(guān)鍵詞：LTE；MIMO天線；耦合器；正交模式

0 引言
LTE項目是3G技術(shù)的演進(jìn)，它改進(jìn)并增強(qiáng)了3G的空中接入技術(shù)，采用OFDM和MIMO作為其無線網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)的標(biāo)準(zhǔn)。在20 MHz頻譜帶寬下能夠提供下行150 Mb／s與上行50 Mb／s的峰值速率。
為了滿足LTE在高數(shù)據(jù)率和高系統(tǒng)容量方面的需求，LTE系統(tǒng)支持多天線MIMO(Multiple Input Multiple Output)技術(shù)，在發(fā)射端和接收端同時使用多個天線進(jìn)行接收和發(fā)射，將不可避免地引起多個天線之間的相互耦合，導(dǎo)致天線之間的相關(guān)性減小，從而降低通信容量，而且也會降低天線的輻射效率。這種耦合在移動終端天線上表現(xiàn)得尤為明顯。通常為了降低天線之間的耦合，要求增大天線之間的距離，而移動終端有限的空間又不能滿足此要求，尤其是在700 MHz左右的頻段，幾個天線之間的電氣距離通常只有波長的十幾分之一，這就更加劇了耦合程度。
在移動終端，通常使用印制板天線，所以本文研究的主要問題也是多個印制板天線之間的耦合問題。印制天線之間的耦合通常包括3個部分：遠(yuǎn)場耦合；近場耦合；表面波耦合。當(dāng)多個天線之間的極化方向相同時，就會存在遠(yuǎn)場耦合，天線之間的距離增大一倍，耦合會減小6 dB。當(dāng)一個天線處于另一個天線的近輻射場時，近場耦合就會發(fā)生，耦合與介質(zhì)的介電常數(shù)有關(guān)，也與天線之間的距離有關(guān)，當(dāng)天線的距離增大一倍時，耦合會減小12～18 dB。表面波耦合發(fā)生在介質(zhì)層，天線之間的距離增大一倍，表面波耦合減小3 dB。當(dāng)介質(zhì)的厚度h與波長λ0之間的比值達(dá)到一定數(shù)值時，表面波之間的耦合將起主導(dǎo)作用。
為了降低多個天線之間的耦合，人們想出了各種辦法。其中一種有效的方法就是使用DMN(Decoupling and Matehing Networks)技術(shù)。具體的設(shè)計方法與實(shí)例文獻(xiàn)均有論述，但是文中并沒有給出具體的理論說明。文獻(xiàn)提出了一種采用正交模式分析的方法，通過S參數(shù)分析，從理論上給出了一種合理的去耦合方法。本文采用文獻(xiàn)給出的S參數(shù)分析方法，對文獻(xiàn)提出的710 MHz天線之間的耦合進(jìn)行研究，并通過計算設(shè)計出一種采用集總參數(shù)元件構(gòu)成的耦合器與匹配網(wǎng)絡(luò)去掉兩個天線之間的耦合。通過HFSS和ADS聯(lián)合仿真可以看出，S12與S21參數(shù)得到了明顯改善。

1 一種71O MHz雙天線的設(shè)計
710 MHz的頻段是LTE使用的一個重要頻段，然而在移動終端上，移動設(shè)備有限的體積與710 MHz較大的波長給設(shè)計師提出了苛刻的要求。LET使用的是MIMO技術(shù)，也就是在一個終端上同時存在著多個發(fā)射天線，不可避免地引起了天線之間的耦合，降低了通信容量。文獻(xiàn)提出了一種曲線形雙天線，這種緊湊的結(jié)構(gòu)符合了移動終端對體積的要求。但是緊湊的結(jié)構(gòu)也引起了天線之間較高的耦合。
天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。天線工作在710 MHz的頻段，由兩個曲線單極子天線組成。兩個天線印制在FR4介質(zhì)板上(介電常數(shù)等于4.6，介質(zhì)厚1 mm)。天線走線的寬度是1 mm，走線之間的距離也是1 mm。兩個天線之間的距離是6 mm，天線端口接1．8 mm的微帶線饋電。使用HF-SS 12進(jìn)行仿真，可以得出S參數(shù)如圖2所示?？梢奡11的性能很好，然而天線之間的耦合S12過大，難以滿足LTE對天線工作性能的要求。