專欄文章
2021-01-04 Inspire
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基站端與終端之資料串流數相較於4G呈倍數增加,目前5G終端裝置會以2T4R傳輸鏈路做配置,亦即在有限空間下須放置更多天線,因此,天線間隔離度表現如何影響天線分集效能,可透過理論計算加以分析評估。
天線分集(Antenna Diversity)技術早期應用於行動通訊系統,其目的為用來降低資料傳輸位元錯誤率(Bit Error Rate, BER),透過多天線同時接收以提升傳輸穩定性。因訊號從發射端透過空氣傳播至接收端,易遭受環境與建物影響產生反射(Reflection)、散射(Scattering)或繞射(Diffraction)等現象,使得訊號同時有直視路徑與多重反射路徑到達接收端,造成接收端的訊號存在建設性加乘和破壞性相消效果。因此,當接收訊號的振幅大小與相位產生變化,易導致訊號失真及判讀正確性低等問題,上述之現象稱為多重路徑衰落(Multi-path Fading)。倘若使用兩根天線並透過空間分開配置,讓兩根天線同時收到相同的資料,即有機會彌補另一根天線實收訊號之掉包率,最後再透過訊號處理方式解出原始訊號。
隨著通訊系統演進,提升傳輸速率已變成是新世代通訊技術差異化指標,天線分集技術漸漸演變成傳輸不同資料流之多輸入多輸出(Multiple Input Multiple Output, MIMO)天線系統,藉由多個通道來提高訊號傳輸吞吐量。然而,若採用空間分集來創造多樣化的傳播通道,往往需要透過距離來創造路徑上之差異。在終端裝置乃至於基站端之天線仍有無法騰出此空間之缺憾,常見的作法會以極化分集的方式來實現獨立資料流傳輸效果。
目前用來評估分集效能之關鍵指標為封包相關係數(Envelope Correlation Coefficient, ECC ),在理論分析上可從天線S參數與遠場觀點來評估。如公式(1)為透過天線S參數來進行ECC數值計算,可以發現公式(1)之分母項表示輻射功率,分子項為天線間交互作用耦合能量。因此,若可以有效提升天線隔離度(S21、S12項次),則ECC會有較佳的表現。
圖1為文獻上分析兩個同極化之T型耦合饋入單極天線ECC效能,兩個天線擺放間距為操作頻率的二分之一波長,並在兩者共接地面上開設四分之一波長的槽縫,藉此優化電流路徑抵銷效果,達到降低天線間耦合干擾之功效。圖2為天線輻射效率與ECC分析結果,相較於原始設計,若在接地面上開設槽縫,其天線隔離度改善約20dB,而ECC從原本約0.45降至約0.25,整體ECC表現更佳。
圖一、原始單極天線與添加槽縫之單極天線實體外觀
圖二、兩種天線型式之輻射效率與ECC數值比較
參考資料
[1] S.-L. Zuo, Y.-Z. Yin, W.-J. Wu, Z.-Y. Zhang, and J. Ma” INVESTIGATIONS OF REDUCTION OF MUTUAL COUPLING BETWEEN TWO PLANAR MONOPOLES USING TWO λ/4 SLOTS”, Progress In Electromagnetics Research Letters, 2010.