part1：天線隔離的定義

 

前不久，我們電巢射頻組接到了一個射頻相關(guān)的咨詢項目，客戶需要解決一個終端天線的隔離度問題，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CST仿真得到的仿真數(shù)據(jù)，和他們實測的數(shù)據(jù)對不上，所以找到我們電巢，希望解決這個仿真和實測對不上的問題。我們就針對這個項目做了一些天線隔離度技術(shù)問題的研究。

 

現(xiàn)在的移動通信業(yè)務(wù)，已經(jīng)進(jìn)入了5G時代，那些伴隨5G時代而來的名詞我相信大家都不會陌生，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，都沒辦法繞開一個關(guān)鍵問題，就是同時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。一個終端，可能存在多個天線都在同時發(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(lán)牙。

 

 

這些同時工作的射頻信號，如果其中一個發(fā)射信號的工作頻率恰好落在另一個信號的接收頻段，那么發(fā)射的信號就會對接收信號造成嚴(yán)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，也有可能帶來無法忽視的噪聲影響。

 

 

講一個真實案例，我曾經(jīng)在做項目的過程中，碰到一個非常嚴(yán)重的信號干擾問題，當(dāng)時的情況是，LTEB41的發(fā)射雜散嚴(yán)重干擾了WIFI2.4G的接收信號，導(dǎo)致共存測試無法通過。雖然最后這個問題歸咎于一顆射頻濾波器件，并最終通過軟件時分的方式來解決。當(dāng)時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，也會是另外一個解決問題的有效方法。

 

 

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

 

 

它并不是只發(fā)有用信號，只要是源端供過來的所有信號，有用沒用，它都會發(fā)射出去，只是不同頻點的信號，發(fā)射出去的效率也不一樣，在諧振頻點的信號發(fā)射效率就高，其他頻點效率就低點。

 

 

發(fā)射的同時呢，它也接收信號，不管什么信號都接收，當(dāng)然一樣的，諧振頻點接收效率高，其他頻點效率低。這里有兩個天線，A天線發(fā)射的信號會被B天線接收，同樣的，B天線發(fā)射的信號也會被A天線接收。

 

 

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

 

 

part2：天線隔離度的關(guān)鍵因素

 

接下來為大家演示幾個測試實例，這些實驗都是在我們的電巢共享實驗室里測試完成的。

 

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

 

 

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

 

 

我們接下來測試兩個離得比較近的天線，2號和7號。

 

 

從數(shù)據(jù)上來看，這兩個天線的隔離度差了不少，這說明距離應(yīng)該是會影響天線隔離度的。接下來，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，用絕對值來換算，和上一組天線相比，隔離度差了4倍還多。這說明，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。

 

 

沒錯，天線的輻射方向也是影響天線隔離度的一個重要因素。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)兩個天線輻射的最強(qiáng)方向相對時，即使兩個 天線間的距離比較遠(yuǎn)，它們之間依然會產(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？

 

對于獨立的天線個體，提升隔離度的方式主要有四種。下面我們一一來演示一下。

 

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演示。這是兩根2.4G的偶極子天線。我們來看看距離對隔離度的影響。首先是距離5cm時的隔離度。

 

 

然后是相距10cm時，兩個天線的隔離度

 

 

可以看到，距離10cm時，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？早期基站天線會使用加隔離墻的方式來提升隔離度

 

我們來試試這種方法有沒有效果！

 

 

從實驗結(jié)果來看，加隔離墻確實有效果，但是墻的高度會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)，很難通過簡單的經(jīng)驗判斷得出結(jié)論。而且終端上有沒有空間給你加這個隔離墻也是一個問題。所以我們需要試試其他的方法，比如試試讓兩個天線的極化方向垂直。

 

 

極化方向垂直的兩個天線，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)，這說明，這種方法非常有效。看起來我們只需要判斷出兩個天線的極化方向，然后讓他們互相垂直就好了，so easy！

 

如何判斷獨立天線的極化方式呢？天線的極化方向，就是天線輻射電場的方向，因此通過天線上的電路方向，就可以簡單判斷出天線的極化方向。而對于獨立線天線來說，它的電流方向也可以簡單的通過天線外形來進(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這種方式來提升隔離呢？我們直接來測試一下，這個板子上的天線2號和6號

 

 

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

 

這是因為，我們以為天線只是這一小塊的金屬銅皮結(jié)構(gòu)，但實際上，構(gòu)成輻射體的是這整塊板子。確實，在我們以為就是天線本體的這兩塊金屬表面，電流確實垂直，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，板子上的電流方向。

 

 

可以看到，兩個天線工作時，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，隔離度自然不會好。

 

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

 

part3：終端天線如何提高隔離度

 

 

在《淺談天線隔離度問題上篇——天線隔離的定義》中，我們提到天線輻射方向圖也會影響天線的隔離度。只需將兩個天線輻射最弱的方向相對，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候并沒有辦法通過簡單的經(jīng)驗判斷來得出，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123的。要想提前預(yù)知天線輻射的方向圖，只能通過準(zhǔn)確的3D電磁場仿真才能得出結(jié)果。

 

 

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

 

1、2號天線隔離度仿真與實測對比

 

1、4號天線隔離度仿真與實測對比

 

通過仿真，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，如果說天線位置已經(jīng)固定，并且通過更改天線形式，已經(jīng)無法做到隔離度的提升時，有沒有其他的辦法來解決這個問題呢？

 

也是有的。天線間的互耦會影響隔離度，那么如果通過匹配解耦的方式來調(diào)節(jié)，理論上來說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)作為一個四端口網(wǎng)絡(luò)，起到一個退耦的作用，它的目標(biāo)就是通過網(wǎng)絡(luò)變換將S21變?yōu)?。在網(wǎng)絡(luò)變換的過程中，S11和S22必然會劣化，所以需要匹配網(wǎng)絡(luò)M來將天線匹配到一個合適的值。

 

 

我們將這兩個天線當(dāng)成一個雙端口網(wǎng)絡(luò)，然后用網(wǎng)分測試出這個雙端口網(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

 

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

 

 

通過實測結(jié)果與仿真結(jié)果對比，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則沒有太過于劣化。這說明通過添加退耦網(wǎng)絡(luò)改善天線隔離性能是真實有效的。

 

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

 

沒有任何一種工程經(jīng)驗是通用的，解決問題還需要各位工程師多思考，多積累。

來源：電巢射頻

 

 

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