LTE項(xiàng)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(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)的標(biāo)準(zhǔn)。在20MHz頻譜帶寬下能夠提供下行150Mb/s與上行50Mb/s的峰值速率,。
為了滿(mǎn)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(xiàn)MIMO(Multiple Input Multiple Output)技術(shù)，在發(fā)射端和接收端同時(shí)使用多個(gè)天線(xiàn)進(jìn)行接收和發(fā)射,，將不可避免地引起多個(gè)天線(xiàn)之間的相互耦合,，導(dǎo)致天線(xiàn)之間的相關(guān)性減小，從而降低通信容量,，而且也會(huì)降低天線(xiàn)的輻射效率,。這種耦合在移動(dòng)終端天線(xiàn)上表現(xiàn)得尤為明顯。通常為了降低天線(xiàn)之間的耦合,，要求增大天線(xiàn)之間的距離,，而移動(dòng)終端有限的空間又不能滿(mǎn)足此要求，尤其是在700MHz左右的頻段,，幾個(gè)天線(xiàn)之間的電氣距離通常只有波長(zhǎng)的十幾分之一,，這就更加劇了耦合程度,。
在移動(dòng)終端,，通常使用印制板天線(xiàn)，所以本文研究的主要問(wèn)題也是多個(gè)印制板天線(xiàn)之間的耦合問(wèn)題,。印制天線(xiàn)之間的耦合通常包括3個(gè)部分：遠(yuǎn)場(chǎng)耦合,；近場(chǎng)耦合；表面波耦合,。當(dāng)多個(gè)天線(xiàn)之間的極化方向相同時(shí),，就會(huì)存在遠(yuǎn)場(chǎng)耦合，天線(xiàn)之間的距離增大一倍,，耦合會(huì)減小6dB,。當(dāng)一個(gè)天線(xiàn)處于另一個(gè)天線(xiàn)的近輻射場(chǎng)時(shí)，近場(chǎng)耦合就會(huì)發(fā)生,，耦合與介質(zhì)的介電常數(shù)有關(guān),，也與天線(xiàn)之間的距離有關(guān),，當(dāng)天線(xiàn)的距離增大一倍時(shí)，耦合會(huì)減小12～18 dB,。表面波耦合發(fā)生在介質(zhì)層,，天線(xiàn)之間的距離增大一倍，表面波耦合減小3dB,。當(dāng)介質(zhì)的厚度h與波長(zhǎng)λ0之間的比值達(dá)到一定數(shù)值時(shí),，表面波之間的耦合將起主導(dǎo)作用。
為了降低多個(gè)天線(xiàn)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(jì)方法與實(shí)例文獻(xiàn)均有論述,，但是文中并沒(méi)有給出具體的理論說(shuō)明,。文獻(xiàn)提出了一種采用正交模式分析的方法，通過(guò)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(duì)文獻(xiàn)提出的710MHz天線(xiàn)之間的耦合進(jìn)行研究,，并通過(guò)計(jì)算設(shè)計(jì)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(gè)天線(xiàn)之間的耦合,。通過(guò)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710MHz雙天線(xiàn)的設(shè)計(jì)
710MHz的頻段是LTE使用的一個(gè)重要頻段,，然而在移動(dòng)終端上,，移動(dòng)設(shè)備有限的體積與710MHz較大的波長(zhǎng)給設(shè)計(jì)師提出了苛刻的要求。LET使用的是MIMO技術(shù),，也就是在一個(gè)終端上同時(shí)存在著多個(gè)發(fā)射天線(xiàn),，不可避免地引起了天線(xiàn)之間的耦合,，降低了通信容量,。文獻(xiàn)提出了一種曲線(xiàn)形雙天線(xiàn),，這種緊湊的結(jié)構(gòu)符合了移動(dòng)終端對(duì)體積的要求,。但是緊湊的結(jié)構(gòu)也引起了天線(xiàn)之間較高的耦合,。
天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示,。天線(xiàn)工作在710MHz的頻段,，由兩個(gè)曲線(xiàn)單極子天線(xiàn)組成,。兩個(gè)天線(xiàn)印制在FR4介質(zhì)板上(介電常數(shù)等于4.6，介質(zhì)厚1mm),。天線(xiàn)走線(xiàn)的寬度是1mm,，走線(xiàn)之間的距離也是1mm。兩個(gè)天線(xiàn)之間的距離是6mm,，天線(xiàn)端口接1.8mm的微帶線(xiàn)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?jiàn)S11的性能很好,，然而天線(xiàn)之間的耦合S12過(guò)大,，難以滿(mǎn)足LTE對(duì)天線(xiàn)工作性能的要求。
2 S參數(shù)的去耦合分析
為了提高天線(xiàn)的輻射效率，學(xué)者們提出了DMN技術(shù),，即在多個(gè)天線(xiàn)的輸入端先加耦合器以去掉天線(xiàn)之間的耦合，然后加匹配網(wǎng)絡(luò),，如圖3所示。文獻(xiàn)對(duì)這種方法進(jìn)行了詳細(xì)論述,，并闡述了用S參數(shù)分析正交模的方法,。下面對(duì)一個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)的天線(xiàn)進(jìn)行S參數(shù)的分析。
雙天線(xiàn)系統(tǒng)是一個(gè)無(wú)源二端口網(wǎng)絡(luò)，用ai表示第i個(gè)端口的入射波,，用bi表示第i個(gè)端口的反射波。入射波矢量a=(a1,，a2)T,，反射波矢量b=(b1,，b2)T,，其中：T表示矩陣的轉(zhuǎn)置,。則有：
所有的波矢量都是復(fù)數(shù),，則入射功率和反射功率由下式給出：
式中：|·|表示復(fù)數(shù)的模,，上角標(biāo)H表示厄米特轉(zhuǎn)置,。那么，輻射功率就可以表示為：
式中：H就是輻射矩陣,，并且輻射矩陣是個(gè)厄米特量(HH=H),，而厄米特矩陣是可以通過(guò)一個(gè)相似變換而對(duì)角化的,。因此有：
式中：A=diag{λ1，λ2},，而Q是幺正的(即QQH=I),。根據(jù)厄米特矩陣的性質(zhì),，兩個(gè)正交值λ1和λ2都是實(shí)數(shù)，并且小于等于1,。將式(5)代入式(4)得：
則Q矩陣的第i列qi就稱(chēng)為天線(xiàn)陣列的正交模式,。|ai|2表示第i個(gè)端口的入射功率；|mi|2表示第i個(gè)正交模式的激發(fā)功率,。由于Q的幺正性，有|a|2=|m|2,，這就保證了入射總功率等于激發(fā)起的正交?？偣β?。而λi則反應(yīng)了正交模式的輻射效率。
與輻射功率相對(duì)的是反射功率,。根據(jù)(5)式及厄米特矩陣的性質(zhì),，如果Q可以將H化為對(duì)角矩陣，則S也可以化為對(duì)角矩陣,。有：
則反射矢量可以寫(xiě)為：
為了使正交模式的輻射效率最大,，文獻(xiàn)和文獻(xiàn)詳細(xì)論述了等效耦合參數(shù)的方法。對(duì)于一個(gè)雙天線(xiàn)系統(tǒng),，等效去耦合網(wǎng)絡(luò)如圖4所示,，其中S是天線(xiàn)的反射參數(shù),，SD是去耦合網(wǎng)絡(luò)的反射參數(shù),，文獻(xiàn)指出加入了去耦合系統(tǒng)的S參數(shù)可以表示為：
則等效天線(xiàn)的Ss參數(shù)將是對(duì)角化的，并且它的等效天線(xiàn)輸入端口將是去耦合的。Q的列向量也就是天線(xiàn)的正交輻射模式。下一節(jié)將使用以上理論分析第1部分設(shè)計(jì)的天線(xiàn)的參數(shù)，并將其輸入端的耦合去掉,。
3 等效耦合器的設(shè)計(jì)
對(duì)于一個(gè)雙天線(xiàn)系統(tǒng)，應(yīng)該有兩個(gè)正交模同時(shí)存在，去耦合網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)四端口網(wǎng)絡(luò)，正交輻射矩陣可以寫(xiě)為：
所以去耦合網(wǎng)絡(luò)的S參數(shù)可以表示為：
這是一個(gè)180°定向耦合器，也稱(chēng)為rat-race網(wǎng)絡(luò),，如圖5所示。物理上可以通過(guò)微帶實(shí)現(xiàn),，如圖6所示,。然而對(duì)于第1部分提出的710MHz天線(xiàn),，由于波長(zhǎng)太長(zhǎng)，這樣的耦合器在移動(dòng)設(shè)備上無(wú)法實(shí)現(xiàn),。為了實(shí)現(xiàn)去耦合，可以用貼片電感和電容做出成等效傳輸線(xiàn),，從而用電感和電容做成一個(gè)耦合網(wǎng)絡(luò),，這就可以顯著降低耦合器占用的體積,。如圖7所示，一個(gè)等效1/4波長(zhǎng)傳輸線(xiàn)可以用兩個(gè)電容和一個(gè)電感來(lái)等效代替,。電容和電感的計(jì)算公式為：
由于第二部分設(shè)計(jì)的天線(xiàn)傳輸線(xiàn)阻抗是50Ω,，所以1/4傳輸線(xiàn)的阻抗是70.7Ω，將710MHz代入,，則可以求得L=15.8nH,，C=3.17pF。這樣,，就可以設(shè)計(jì)出180°的混合耦合器如圖8所示,。將耦合器的3，4端口通過(guò)通孔連接天線(xiàn),，1,，2端口接饋電網(wǎng)絡(luò)，就可構(gòu)成一個(gè)雙天線(xiàn)的去耦合系統(tǒng),。
4 710MHz的LTE雙天線(xiàn)與去耦合網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)合仿真
本文使用ADS對(duì)雙天線(xiàn)系統(tǒng)的去耦合網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行仿真。先在ADS中設(shè)計(jì)出耦合器的電路,，如圖8所示,，然后將第1部分設(shè)計(jì)的LTE天線(xiàn)使用HFSS仿真出的S參數(shù)導(dǎo)出為SNP文件，最后將SNP文件導(dǎo)入到ADS中,，進(jìn)行聯(lián)合仿真,。SNP文件的兩個(gè)輸入端口接耦合器的3、4端口,，耦合器的1,，2端口接饋電端。仿真結(jié)果如圖9所示,?？梢?jiàn)，加入了去耦合網(wǎng)絡(luò)后,，S12和S21降到了30dB以下,。由于輸入端口存在著不匹配，所以S11和S22太大,，不能滿(mǎn)足要求,，這可以通過(guò)在饋電端口加入匹配網(wǎng)絡(luò)來(lái)改善。通過(guò)ADS的優(yōu)化設(shè)置,，可知當(dāng)匹配網(wǎng)絡(luò)先并聯(lián)一個(gè)3.815nH電感,，再串聯(lián)一個(gè)14 nH的電感后，S11和S22均可以達(dá)到滿(mǎn)意的效果,，S12和S21也進(jìn)一步減小到-35dB以下,。加入匹配網(wǎng)絡(luò)后的仿真結(jié)果如圖10所示,，從圖中也可以看出，S11只是在一個(gè)很窄的帶寬內(nèi)滿(mǎn)足要求,，這也是DMN技術(shù)的局限,。
5 結(jié)語(yǔ)
本文從s參數(shù)的角度分析了一個(gè)雙天線(xiàn)系統(tǒng)的去耦合方法，并通過(guò)一個(gè)天線(xiàn)設(shè)計(jì)實(shí)例,，使用HFSS和ADS進(jìn)行去耦合前和去耦合后的仿真,。結(jié)果顯示加入去耦合網(wǎng)絡(luò)和匹配網(wǎng)絡(luò)后兩個(gè)天線(xiàn)間的耦合可以降低至-35dB以下，反射系數(shù)也可達(dá)到-15dB以下,，這滿(mǎn)足了工作于710MHz的移動(dòng)設(shè)備的要求,。下一步的研究工作將是如何增加耦合器的帶寬，從而使這種設(shè)計(jì)能夠靈活工作于一個(gè)更寬的頻帶,。