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專欄文章

【十分鐘看懂】5G天線分集效能評估技術(二)

2021-01-12 小編2

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5G終端天線為了提升天線分集效果,除了藉由空間將天線間距拉大擺放外,亦需要進行不同天線極化方向之配置,分集效能評估對多輸入多輸出天線系統甚為重要,本篇將著重以天線遠場觀點進一步說明多天線分集特性。

 

前述技術文章針對如何利用天線S參數萃取,包括兩天線之反射係數與穿透係數振幅大小與相位,代入理論計算式以獲得封包相關係數(ECC)。對於天線輻射效率低於80%之天線系統而言,使用S參數來進行分集效能評估為最具成本效益作法,僅須透過網路分析儀來取得兩天線之S參數即可。一般廠家在進行多天線效能評估時,此種方式可快速預先獲得天線分集效果。另外,透過遠場觀點來評估分集效能可做為第二階段驗證工作,但此分析需要取得完整球面輻射場之量測數據,再代入理論計算式得到ECC。然而,對於輻射效率高的天線系統而言,藉由遠場場型資訊來評估ECC,可以進一步掌握在考量傳播環境下,天線分集效能可否滿足需求。

公式(1)為使用天線遠場觀點所推導之理論計算式,透過完整的3D球面掃描將兩個天線場型相關資訊,包括Φ與θ極化之電場分量的振福與相位代入計算,其中XPR項為交叉極化鑑別度比,表示垂直與水平極化之功率大小比值,此公式於推導與適用性有做些假設,如兩個天線需具有均勻的多路徑傳播環境。從公式可以發現天線極化鑑別度比將會影響整體ECC表現,當兩天線系統傳輸不同獨立資料流,若無法有效控制XPR大小,則每個天線自身的場型分量將會能對另一個天線運作造成干擾。

公式(1)

對於天線分集或多輸入多輸出天線(MIMO)系統運作而言,分集增益與多工效率兩者屬系統層級之重要參數指標。如公式(2)為分集增益理論計算式,將透過天線S參數或遠場所分析之ECC代入即可得到分集增益值,理想上ECC0,但實務運作上其ECC約小於0.5。而公式(3)為多工效率理論計算式,η1η2分別為兩天線之系統效率,而2近似於ECC,將相關數值代入後即可獲得多工運作效能。

公式(2)

公式(3)

 

圖一為文獻中探討一款超寬頻之MIMO天線設計結構,並進一步分析ECC、分集增益與多工效率等數值,從天線架構演變歷程最終以Antenna 3於接地面處延伸一對F型金屬殘段可以獲得較佳的MIMO效能。圖二為MIMO效能評估結果,此處之ECC為採用S參數理論計算式得到,於操作頻段內可小於0.04,而分集增益與多工效率分別有大於7.4dB-3.5dB之水準。

 

圖一、一種可減少互耦干擾之超寬頻MIMO天線結構

圖一、一種可減少互耦干擾之超寬頻MIMO天線結構

 

圖二、超寬頻MIMO天線結構之封包相關係數、分集增益與多工效率分析結果

圖二、超寬頻MIMO天線結構之封包相關係數、分集增益與多工效率分析結果

 

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.

[2] AMJAD IQBAL, OMAR A. SARAEREH, ARBAB WAHEED AHMAD, AND SHAHID BASHIR, “Mutual Coupling Reduction Using F-Shaped Stubs in UWB-MIMO Antenna”, IEEE Access, 2017.


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