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part1：天線隔離的定義

 

前不久，我們電巢射頻組接到了一個(gè)射頻相關(guān)的咨詢項(xiàng)目，客戶需要解決一個(gè)終端天線的隔離度問(wèn)題，而且他們的要求還比較高，要求隔離度達(dá)到30dB。客戶自己通過(guò)CST仿真得到的仿真數(shù)據(jù)，和他們實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)對(duì)不上，所以找到我們電巢，希望解決這個(gè)仿真和實(shí)測(cè)對(duì)不上的問(wèn)題。我們就針對(duì)這個(gè)項(xiàng)目做了一些天線隔離度技術(shù)問(wèn)題的研究。

 

現(xiàn)在的移動(dòng)通信業(yè)務(wù)，已經(jīng)進(jìn)入了5G時(shí)代，那些伴隨5G時(shí)代而來(lái)的名詞我相信大家都不會(huì)陌生，比如多天線技術(shù)，大規(guī)模MIMO技術(shù)（也就是多發(fā)多收技術(shù)），多頻段載波聚合等等。

 

 

這些技術(shù)的引入和應(yīng)用，都沒(méi)辦法繞開一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，就是同時(shí)工作的射頻頻段和制式變多了。比如射頻終端廣域網(wǎng)頻段有LTE的band12345678，還有38 39 40 41 等等，5G NR除了有和LTE相同的頻段劃分之外，還多了3.5G頻段以及毫米波頻段。

 

 

除了廣域網(wǎng)，終端通常都攜帶有WIFI 和 藍(lán)牙功能。頻段變多了，終端上的天線也就變多了。一個(gè)終端，可能存在多個(gè)天線都在同時(shí)發(fā)射和接收不同信號(hào)，這些信號(hào)有可能工作在相鄰的頻段，甚至是相同的頻段，比如WIFI和藍(lán)牙。

 

 

這些同時(shí)工作的射頻信號(hào)，如果其中一個(gè)發(fā)射信號(hào)的工作頻率恰好落在另一個(gè)信號(hào)的接收頻段，那么發(fā)射的信號(hào)就會(huì)對(duì)接收信號(hào)造成嚴(yán)重干擾；即使是發(fā)射信號(hào)的帶外雜散落在其他信號(hào)的接收頻段，也有可能帶來(lái)無(wú)法忽視的噪聲影響。

 

 

講一個(gè)真實(shí)案例，我曾經(jīng)在做項(xiàng)目的過(guò)程中，碰到一個(gè)非常嚴(yán)重的信號(hào)干擾問(wèn)題，當(dāng)時(shí)的情況是，LTEB41的發(fā)射雜散嚴(yán)重干擾了WIFI2.4G的接收信號(hào)，導(dǎo)致共存測(cè)試無(wú)法通過(guò)。雖然最后這個(gè)問(wèn)題歸咎于一顆射頻濾波器件，并最終通過(guò)軟件時(shí)分的方式來(lái)解決。當(dāng)時(shí)LTE天線和WIFI天線之間的隔離度約10dB，已經(jīng)滿足了終端天線隔離度的基本要求。但是我認(rèn)為，如果可以將LTE的天線與WIFI天線之間的隔離度再提高一些，也會(huì)是另外一個(gè)解決問(wèn)題的有效方法。

 

 

什么是天線之間的隔離度呢？天線作為射頻無(wú)線通路上的最后一個(gè)負(fù)載，承載著收發(fā)信號(hào)的使命，它本質(zhì)上是一個(gè)雙向的無(wú)源器件。

 

 

它并不是只發(fā)有用信號(hào)，只要是源端供過(guò)來(lái)的所有信號(hào)，有用沒(méi)用，它都會(huì)發(fā)射出去，只是不同頻點(diǎn)的信號(hào)，發(fā)射出去的效率也不一樣，在諧振頻點(diǎn)的信號(hào)發(fā)射效率就高，其他頻點(diǎn)效率就低點(diǎn)。

 

 

發(fā)射的同時(shí)呢，它也接收信號(hào)，不管什么信號(hào)都接收，當(dāng)然一樣的，諧振頻點(diǎn)接收效率高，其他頻點(diǎn)效率低。這里有兩個(gè)天線，A天線發(fā)射的信號(hào)會(huì)被B天線接收，同樣的，B天線發(fā)射的信號(hào)也會(huì)被A天線接收。

 

 

在專業(yè)上，這個(gè)物理現(xiàn)象叫做天線互耦。隔離度就是用來(lái)衡量天線互耦程度的大小的物理量。用更直接一點(diǎn)方式來(lái)講，或者說(shuō)更接地氣的方式來(lái)講，假定兩個(gè)天線構(gòu)成一個(gè)雙端口網(wǎng)絡(luò)，那么兩個(gè)天線之間的隔離度就是天線之間的S21。所以測(cè)試隔離度的方法，就是將兩個(gè)天線接入網(wǎng)分的兩個(gè)端口直接測(cè)S21就可以了。

 

 

part2：天線隔離度的關(guān)鍵因素

 

接下來(lái)為大家演示幾個(gè)測(cè)試實(shí)例，這些實(shí)驗(yàn)都是在我們的電巢共享實(shí)驗(yàn)室里測(cè)試完成的。

 

如圖，這塊板子上有8個(gè)天線，分別命名為1號(hào)~8號(hào)。這8個(gè)天線相互之間的隔離度到底如何呢，我們先測(cè)試相距較遠(yuǎn)的兩個(gè)天線1號(hào)和2號(hào)，如紅框所示。

 

 

可以看到，1號(hào)和2號(hào)這兩個(gè)天線之間的隔離度很好，已經(jīng)達(dá)到30dB左右。

 

 

我們接下來(lái)測(cè)試兩個(gè)離得比較近的天線，2號(hào)和7號(hào)。

 

 

從數(shù)據(jù)上來(lái)看，這兩個(gè)天線的隔離度差了不少，這說(shuō)明距離應(yīng)該是會(huì)影響天線隔離度的。接下來(lái)，我們測(cè)試 2號(hào)和3號(hào)，2和3之間的距離與2和7之間的距離一樣，我們看看隔離度是不是一樣

 

 

可以看到，隔離度差了很多，用絕對(duì)值來(lái)?yè)Q算，和上一組天線相比，隔離度差了4倍還多。這說(shuō)明，距離并不是影響隔離度的唯一要素，一定還有什么其他原因在影響天線的隔離度。

 

 

沒(méi)錯(cuò)，天線的輻射方向也是影響天線隔離度的一個(gè)重要因素。標(biāo)準(zhǔn)天線的輻射方向圖是可以從理論分析得出的。當(dāng)兩個(gè)天線輻射的最強(qiáng)方向相對(duì)時(shí)，即使兩個(gè) 天線間的距離比較遠(yuǎn)，它們之間依然會(huì)產(chǎn)生比較強(qiáng)的互耦效應(yīng)，導(dǎo)致隔離度變差。

 

 

那么如何提升天線之間的隔離度呢？

 

對(duì)于獨(dú)立的天線個(gè)體，提升隔離度的方式主要有四種。下面我們一一來(lái)演示一下。

 

第一種方式就是拉開天線之間的距離。我們用一種更直觀的方式來(lái)演示。這是兩根2.4G的偶極子天線。我們來(lái)看看距離對(duì)隔離度的影響。首先是距離5cm時(shí)的隔離度。

 

 

然后是相距10cm時(shí)，兩個(gè)天線的隔離度

 

 

可以看到，距離10cm時(shí)，天線之間的隔離度要比5cm間距的隔離度好一些。因此，在有條件的情況下，我們盡量將兩個(gè)天線的間距拉大，這是提升隔離度的有效方式。但是終端狹小的結(jié)構(gòu)空間，往往限制了天線間的距離。那么如何在有限的結(jié)構(gòu)空間里提升天線的隔離度呢？早期基站天線會(huì)使用加隔離墻的方式來(lái)提升隔離度

 

我們來(lái)試試這種方法有沒(méi)有效果！

 

 

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，加隔離墻確實(shí)有效果，但是墻的高度會(huì)影響隔離的最終效果，具體加多高的墻才能達(dá)到隔離指標(biāo)，很難通過(guò)簡(jiǎn)單的經(jīng)驗(yàn)判斷得出結(jié)論。而且終端上有沒(méi)有空間給你加這個(gè)隔離墻也是一個(gè)問(wèn)題。所以我們需要試試其他的方法，比如試試讓兩個(gè)天線的極化方向垂直。

 

 

極化方向垂直的兩個(gè)天線，即使在距離只有5cm的情況下，也依然得到了極高的隔離度指標(biāo)，這說(shuō)明，這種方法非常有效?？雌饋?lái)我們只需要判斷出兩個(gè)天線的極化方向，然后讓他們互相垂直就好了，so easy！

 

如何判斷獨(dú)立天線的極化方式呢？天線的極化方向，就是天線輻射電場(chǎng)的方向，因此通過(guò)天線上的電路方向，就可以簡(jiǎn)單判斷出天線的極化方向。而對(duì)于獨(dú)立線天線來(lái)說(shuō)，它的電流方向也可以簡(jiǎn)單的通過(guò)天線外形來(lái)進(jìn)行判斷。

 

 

既然天線極化垂直可以提升隔離度，那么在終端上是否可以通過(guò)這種方式來(lái)提升隔離呢？我們直接來(lái)測(cè)試一下，這個(gè)板子上的天線2號(hào)和6號(hào)

 

 

從測(cè)試結(jié)果可以看出，看似垂直的兩個(gè)天線隔離度卻非常差，這是什么原因呢？

 

這是因?yàn)?，我們以為天線只是這一小塊的金屬銅皮結(jié)構(gòu)，但實(shí)際上，構(gòu)成輻射體的是這整塊板子。確實(shí)，在我們以為就是天線本體的這兩塊金屬表面，電流確實(shí)垂直，但是這塊板子上其他地方的電流就不垂直了。下面兩張圖展示了天線工作時(shí)，板子上的電流方向。

 

 

可以看到，兩個(gè)天線工作時(shí)，板子上的電流是平行的，因此也就不構(gòu)成極化垂直的條件，隔離度自然不會(huì)好。

 

我們這個(gè)板子的環(huán)境其實(shí)是很簡(jiǎn)單的，干干凈凈，就一塊PCB板。電流方向也很規(guī)整，就是這樣也沒(méi)辦法做到讓兩個(gè)天線極化方向垂直，而真實(shí)終端里面的環(huán)境會(huì)復(fù)雜很多，極化方向更能確定。因此通過(guò)讓兩個(gè)天線相互垂直的方式來(lái)提升隔離度好像有點(diǎn)不太靠譜。

 

part3：終端天線如何提高隔離度

 

 

在《淺談天線隔離度問(wèn)題上篇——天線隔離的定義》中，我們提到天線輻射方向圖也會(huì)影響天線的隔離度。只需將兩個(gè)天線輻射最弱的方向相對(duì)，就可以獲得較好的隔離度指標(biāo)。

 

 

但是天線輻射方向圖有時(shí)候并沒(méi)有辦法通過(guò)簡(jiǎn)單的經(jīng)驗(yàn)判斷來(lái)得出，特別是我們終端中的PCB天線，PIFA天線，IFA天線。

 

 

這些天線的輻射方向圖受到天線周圍環(huán)境以及地平面的影響，光靠看是看不出個(gè)123的。要想提前預(yù)知天線輻射的方向圖，只能通過(guò)準(zhǔn)確的3D電磁場(chǎng)仿真才能得出結(jié)果。

 

 

比如說(shuō)我們現(xiàn)在這塊板子，就用了CST來(lái)進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，預(yù)測(cè)了天線的方向圖以及天線的隔離度。大家可以一起來(lái)看看，我們仿真和實(shí)測(cè)的結(jié)果到底與多大的區(qū)別。

 

1、2號(hào)天線隔離度仿真與實(shí)測(cè)對(duì)比

 

1、4號(hào)天線隔離度仿真與實(shí)測(cè)對(duì)比

 

通過(guò)仿真，我們可以預(yù)知天線的方向圖，從而提前修改天線的形狀，位置，以達(dá)到提高天線隔離度的目的。

 

但是，如果說(shuō)天線位置已經(jīng)固定，并且通過(guò)更改天線形式，已經(jīng)無(wú)法做到隔離度的提升時(shí)，有沒(méi)有其他的辦法來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題呢？

 

也是有的。天線間的互耦會(huì)影響隔離度，那么如果通過(guò)匹配解耦的方式來(lái)調(diào)節(jié)，理論上來(lái)說(shuō)也是有可能讓隔離度再次優(yōu)化的。退耦網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如下。

 

 

D網(wǎng)絡(luò)作為一個(gè)四端口網(wǎng)絡(luò)，起到一個(gè)退耦的作用，它的目標(biāo)就是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)變換將S21變?yōu)?。在網(wǎng)絡(luò)變換的過(guò)程中，S11和S22必然會(huì)劣化，所以需要匹配網(wǎng)絡(luò)M來(lái)將天線匹配到一個(gè)合適的值。

 

 

我們將這兩個(gè)天線當(dāng)成一個(gè)雙端口網(wǎng)絡(luò)，然后用網(wǎng)分測(cè)試出這個(gè)雙端口網(wǎng)絡(luò)的S參數(shù)，保存為SNP文件并導(dǎo)入ADS仿真。

 

 

這里采用ADS仿真是為了快速找到合適的集總參數(shù)器件，實(shí)際匹配情況可能和仿真結(jié)果略有差別。下面是仿真結(jié)果。

 

改善前

 

改善后

 

通過(guò)仿真得到器件值以后，我們?cè)谡鎸?shí)主板中將這些器件焊接上去，看看隔離度能否得到真實(shí)優(yōu)化。實(shí)際使用的匹配器件，和仿真器件略有差別，仿真結(jié)果只作為定性，測(cè)試結(jié)果需以實(shí)際器件為準(zhǔn)。

 

 

通過(guò)實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比，我們可以看到，隔離度曲線基本吻合，而且相比之前有比較大改善，從-10dB直接優(yōu)化的-20dB，而天線本身的VSWR則沒(méi)有太過(guò)于劣化。這說(shuō)明通過(guò)添加退耦網(wǎng)絡(luò)改善天線隔離性能是真實(shí)有效的。

 

終端天線的隔離問(wèn)題確實(shí)是天線設(shè)計(jì)中的一個(gè)難點(diǎn)，但是我們有多種方法來(lái)進(jìn)行規(guī)避。但是無(wú)論哪種方法，都需要在開發(fā)前期做預(yù)設(shè)計(jì)，充分考慮后期調(diào)試可能出現(xiàn)的情況。

 

沒(méi)有任何一種工程經(jīng)驗(yàn)是通用的，解決問(wèn)題還需要各位工程師多思考，多積累。

來(lái)源：電巢射頻

 

 

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