part1：天線(xiàn)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(xún)項目，客戶(hù)需要解決一個(gè)終端天線(xiàn)的隔離度問(wèn)題，而且他們的要求還比較高，要求隔離度達到30dB?？蛻?hù)自己通過(guò)CST仿真得到的仿真數據，和他們實(shí)測的數據對不上，所以找到我們電巢，希望解決這個(gè)仿真和實(shí)測對不上的問(wèn)題。我們就針對這個(gè)項目做了一些天線(xiàn)隔離度技術(shù)問(wèn)題的研究。

 

現在的移動(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(xiàn)技術(shù)，大規模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)的引入和應用，都沒(méi)辦法繞開(kāi)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 藍牙功能。頻段變多了，終端上的天線(xiàn)也就變多了。一個(gè)終端，可能存在多個(gè)天線(xiàn)都在同時(shí)發(fā)射和接收不同信號，這些信號有可能工作在相鄰的頻段，甚至是相同的頻段，比如WIFI和藍牙。

 

 

這些同時(shí)工作的射頻信號，如果其中一個(gè)發(fā)射信號的工作頻率恰好落在另一個(gè)信號的接收頻段，那么發(fā)射的信號就會(huì )對接收信號造成嚴重干擾；即使是發(fā)射信號的帶外雜散落在其他信號的接收頻段，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)在做項目的過(guò)程中，碰到一個(gè)非常嚴重的信號干擾問(wèn)題，當時(shí)的情況是，LTEB41的發(fā)射雜散嚴重干擾了WIFI2.4G的接收信號，導致共存測試無(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。當時(shí)LTE天線(xiàn)和WIFI天線(xiàn)之間的隔離度約10dB，已經(jīng)滿(mǎn)足了終端天線(xiàn)隔離度的基本要求。但是我認為，如果可以將LTE的天線(xiàn)與WIFI天線(xiàn)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(xiàn)之間的隔離度呢？天線(xiàn)作為射頻無(wú)線(xiàn)通路上的最后一個(gè)負載，承載著(zhù)收發(fā)信號的使命，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，只要是源端供過(guò)來(lái)的所有信號，有用沒(méi)用，它都會(huì )發(fā)射出去，只是不同頻點(diǎn)的信號，發(fā)射出去的效率也不一樣，在諧振頻點(diǎn)的信號發(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，不管什么信號都接收，當然一樣的，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(xiàn)，A天線(xiàn)發(fā)射的信號會(huì )被B天線(xiàn)接收，同樣的，B天線(xiàn)發(fā)射的信號也會(huì )被A天線(xiàn)接收。

 

 

在專(zhuān)業(yè)上，這個(gè)物理現象叫做天線(xiàn)互耦。隔離度就是用來(lái)衡量天線(xiàn)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(xiàn)構成一個(gè)雙端口網(wǎng)絡(luò )，那么兩個(gè)天線(xiàn)之間的隔離度就是天線(xiàn)之間的S21。所以測試隔離度的方法，就是將兩個(gè)天線(xiàn)接入網(wǎng)分的兩個(gè)端口直接測S21就可以了。

 

 

part2：天線(xiàn)隔離度的關(guān)鍵因素

 

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

 

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

 

 

可以看到，1號和2號這兩個(gè)天線(xiàn)之間的隔離度很好，已經(jīng)達到30dB左右。

 

 

我們接下來(lái)測試兩個(gè)離得比較近的天線(xiàn)，2號和7號。

 

 

從數據上來(lái)看，這兩個(gè)天線(xiàn)的隔離度差了不少，這說(shuō)明距離應該是會(huì )影響天線(xiàn)隔離度的。接下來(lái)，我們測試 2號和3號，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，用絕對值來(lái)?yè)Q算，和上一組天線(xiàn)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(xiàn)的隔離度。

 

 

沒(méi)錯，天線(xiàn)的輻射方向也是影響天線(xiàn)隔離度的一個(gè)重要因素。標準天線(xiàn)的輻射方向圖是可以從理論分析得出的。當兩個(gè)天線(xiàn)輻射的最強方向相對時(shí)，即使兩個(gè) 天線(xiàn)間的距離比較遠，它們之間依然會(huì )產(chǎn)生比較強的互耦效應，導致隔離度變差。

 

 

那么如何提升天線(xiàn)之間的隔離度呢？

 

對于獨立的天線(xiàn)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(kāi)天線(xiàn)之間的距離。我們用一種更直觀(guān)的方式來(lái)演示。這是兩根2.4G的偶極子天線(xiàn)。我們來(lái)看看距離對隔離度的影響。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(xiàn)的隔離度

 

 

可以看到，距離10cm時(shí)，天線(xiàn)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(xiàn)的間距拉大，這是提升隔離度的有效方式。但是終端狹小的結構空間，往往限制了天線(xiàn)間的距離。那么如何在有限的結構空間里提升天線(xiàn)的隔離度呢？早期基站天線(xiàn)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)驗結果來(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到隔離指標，很難通過(guò)簡(jiǎn)單的經(jīng)驗判斷得出結論。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(xiàn)的極化方向垂直。

 

 

極化方向垂直的兩個(gè)天線(xiàn)，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，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(xiàn)的極化方向，然后讓他們互相垂直就好了，so easy！

 

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

 

 

既然天線(xiàn)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)測試一下，這個(gè)板子上的天線(xiàn)2號和6號

 

 

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

 

這是因為，我們以為天線(xiàn)只是這一小塊的金屬銅皮結構，但實(shí)際上，構成輻射體的是這整塊板子。確實(shí)，在我們以為就是天線(xiàn)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(xiàn)工作時(shí)，板子上的電流方向。

 

 

可以看到，兩個(gè)天線(xiàn)工作時(shí)，板子上的電流是平行的，因此也就不構成極化垂直的條件，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。電流方向也很規整，就是這樣也沒(méi)辦法做到讓兩個(gè)天線(xiàn)極化方向垂直，而真實(shí)終端里面的環(huán)境會(huì )復雜很多，極化方向更能確定。因此通過(guò)讓兩個(gè)天線(xiàn)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(xiàn)如何提高隔離度

 

 

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

 

 

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

 

 

這些天線(xiàn)的輻射方向圖受到天線(xiàn)周?chē)h(huán)境以及地平面的影響，光靠看是看不出個(gè)123的。要想提前預知天線(xiàn)輻射的方向圖，只能通過(guò)準確的3D電磁場(chǎng)仿真才能得出結果。

 

 

比如說(shuō)我們現在這塊板子，就用了CST來(lái)進(jìn)行仿真設計，預測了天線(xiàn)的方向圖以及天線(xiàn)的隔離度。大家可以一起來(lái)看看，我們仿真和實(shí)測的結果到底與多大的區別。

 

1、2號天線(xiàn)隔離度仿真與實(shí)測對比

 

1、4號天線(xiàn)隔離度仿真與實(shí)測對比

 

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

 

但是，如果說(shuō)天線(xiàn)位置已經(jīng)固定，并且通過(guò)更改天線(xiàn)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(xiàn)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)調節，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 )拓撲圖如下。

 

 

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(xiàn)匹配到一個(gè)合適的值。

 

 

我們將這兩個(gè)天線(xiàn)當成一個(gè)雙端口網(wǎng)絡(luò )，然后用網(wǎng)分測試出這個(gè)雙端口網(wǎng)絡(luò )的S參數，保存為SNP文件并導入ADS仿真。

 

 

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

 

改善前

 

改善后

 

通過(guò)仿真得到器件值以后，我們在真實(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，仿真結果只作為定性，測試結果需以實(shí)際器件為準。

 

 

通過(guò)實(shí)測結果與仿真結果對比，我們可以看到，隔離度曲線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)隔離性能是真實(shí)有效的。

 

終端天線(xiàn)的隔離問(wèn)題確實(shí)是天線(xiàn)設計中的一個(gè)難點(diǎn)，但是我們有多種方法來(lái)進(jìn)行規避。但是無(wú)論哪種方法，都需要在開(kāi)發(fā)前期做預設計，充分考慮后期調試可能出現的情況。

 

沒(méi)有任何一種工程經(jīng)驗是通用的，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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