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射接收速率，LTE通信系統使用了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參數的角度推導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對設計好的710 MHz天線進行聯合仿真，結果顯示加入耦舍器后，兩個天線間的耦合明顯減小。這種設計使得該天線可以很好地應用于LTE通信系統的移動終端。
關鍵詞：LTE；MIMO天線；耦合器；正交模式

0 引言
LTE項目是3G技術的演進，它改進并增強了3G的空中接入技術，采用OFDM和MIMO作為其無線網絡演進的標準。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在高數據率和高系統容量方面的需求，LTE系統支持多天線MIMO(Multiple Input Multiple Output)技術，在發射端和接收端同時使用多個天線進行接收和發射，將不可避免地引起多個天線之間的相互耦合，導致天線之間的相關性減小，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：遠場耦合；近場耦合；表面波耦合。當多個天線之間的極化方向相同時，就會存在遠場耦合，天線之間的距離增大一倍，耦合會減小6 dB。當一個天線處于另一個天線的近輻射場時，近場耦合就會發生，耦合與介質的介電常數有關，也與天線之間的距離有關，當天線的距離增大一倍時，耦合會減小12～18 dB。表面波耦合發生在介質層，天線之間的距離增大一倍，表面波耦合減小3 dB。當介質的厚度h與波長λ0之間的比值達到一定數值時，表面波之間的耦合將起主導作用。
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。具體的設計方法與實例文獻均有論述，但是文中并沒有給出具體的理論說明。文獻提出了一種采用正交模式分析的方法，通過S參數分析，從理論上給出了一種合理的去耦合方法。本文采用文獻給出的S參數分析方法，對文獻提出的710 MHz天線之間的耦合進行研究，并通過計算設計出一種采用集總參數元件構成的耦合器與匹配網絡去掉兩個天線之間的耦合。通過HFSS和ADS聯合仿真可以看出，S12與S21參數得到了明顯改善。

1 一種71O MHz雙天線的設計
710 MHz的頻段是LTE使用的一個重要頻段，然而在移動終端上，移動設備有限的體積與710 MHz較大的波長給設計師提出了苛刻的要求。LET使用的是MIMO技術，也就是在一個終端上同時存在著多個發射天線，不可避免地引起了天線之間的耦合，降低了通信容量。文獻提出了一種曲線形雙天線，這種緊湊的結構符合了移動終端對體積的要求。但是緊湊的結構也引起了天線之間較高的耦合。
天線的結構設計如圖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介質板上(介電常數等于4.6，介質厚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進行仿真，可以得出S參數如圖2所示。可見S11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。