多信道系統(tǒng)中多天線隔離度研究

周國印，王 磊，黃華東，汪進(jìn)軍，徐 峰

(1.北京特種車輛研究所，北京 100072； 2.武漢中原電子集團(tuán)有限公司研發(fā)中心，湖北 武漢 430205)

0 引言

天線是實(shí)現(xiàn)無線傳輸?shù)墓δ茌d體，隨著系統(tǒng)功能的復(fù)雜化，同一平臺(tái)上的接收、發(fā)射設(shè)備越來越多，天線數(shù)量也隨之增加[1-2]。同時(shí)使用多個(gè)天線進(jìn)行接收和發(fā)射，將不可避免地引起多個(gè)天線之間的相互耦合，導(dǎo)致天線間隔離度減小，從而降低通信容量[3-4]。

天線隔離度是衡量和評(píng)估平臺(tái)內(nèi)天線布局是否合理、系統(tǒng)是否能夠?qū)崿F(xiàn)兼容性工作的重要依據(jù)，是兼容性預(yù)測、分析的理論基礎(chǔ)[5-6]。大量研究集中于如何在工程應(yīng)用中改善天線隔離度，分析對(duì)象包括介質(zhì)基板及天線罩材料[7]、天線端口隔離槽[8]、去耦合單元物理位置[9]、電磁帶隙EBG結(jié)構(gòu)[10-11]、反相耦合相消技術(shù)[12]和饋電結(jié)構(gòu)[13]等，在特定應(yīng)用場景中取得一定實(shí)用效果，改善了天線隔離度，形成部分研究理論，但是不具備普遍適用性，更無法應(yīng)用于復(fù)雜多天線系統(tǒng)中。

在天線隔離度分析方法研究上，文獻(xiàn)[14]針對(duì)移動(dòng)通信基站中多天線間隔離度問題進(jìn)行系統(tǒng)性闡述。但局限于移動(dòng)通信領(lǐng)域，且只分析兩天線間隔離度，未對(duì)多信道條件下天線隔離度進(jìn)行研究。文獻(xiàn)[15]對(duì)基站天線隔離度進(jìn)行研究，提出“在多天線隔離度場景中，被干擾天線所受干擾是其他多個(gè)天線的發(fā)射干擾功率的和”，但是并未展開研究。文獻(xiàn)[16]研究了寬帶天線與窄帶天線隔離度的差異。文獻(xiàn)[17]基于GJB4060—2 000船模隔離度測試方法研究了艦載平臺(tái)隔離度測試誤差。文獻(xiàn)[18]總結(jié)分析了3種預(yù)測艦船短波天線隔離度的原理和計(jì)算公式。文獻(xiàn)[19]將天線等效為一端口網(wǎng)絡(luò)，利用S參數(shù)計(jì)算天線間隔離度，但是不涉及多信道。文獻(xiàn)[20]提供一種確定天線隔離度的方法與裝置。

上述研究側(cè)重于2個(gè)天線/端口之間隔離度，包括理論分析、測試方法與裝置等，但是均未對(duì)多個(gè)天線工作于多種工作模式隔離度進(jìn)行研究。而多天線同時(shí)工作是典型工作方式，開展多天線隔離度研究是一項(xiàng)緊迫又具有意義的工作，在工程實(shí)踐中有助于指導(dǎo)多天線系統(tǒng)論證與設(shè)計(jì)。

為了研究復(fù)雜系統(tǒng)中多天線隔離度問題，從隔離度定義出發(fā)，基于全波電磁仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，充分考慮了天線間互耦影響，提高隔離度數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。綜合考慮工作模式及天線相對(duì)位置關(guān)系，克服了上述研究在復(fù)雜系統(tǒng)中適用性不強(qiáng)的問題。

1 天線隔離度分類

在HFSS中建立如圖1所示的8單元天線模型[21]，根據(jù)不同激勵(lì)條件，分析3種類型天線隔離度。

圖1 8單元環(huán)形陣模型

1.1 激勵(lì)單個(gè)天線

8單元環(huán)形陣中，只激勵(lì)其中1個(gè)單元，其余單元端口無源匹配。

在HFSS仿真結(jié)果中查看無源S參數(shù)，即為單個(gè)天線工作時(shí)，該端口與其余端口間的隔離度。對(duì)1號(hào)端口進(jìn)行激勵(lì)，仿真的天線隔離度如表1所示。

表1 8單元環(huán)形陣，1個(gè)單元被激勵(lì)時(shí)天線隔離度

1.2 激勵(lì)全部天線

激勵(lì)8單元環(huán)形陣中的全部天線單元。

在HFSS仿真結(jié)果中查看有源S參數(shù)(Active S參數(shù))，即為某個(gè)單元與其余單元間的隔離度，仿真的天線隔離度如表2所示。

表2 8單元環(huán)形陣，8個(gè)單元均被激勵(lì)時(shí)天線隔離度

1.3 激勵(lì)部分天線

激勵(lì)部分天線指在由N個(gè)單元組成的天線系統(tǒng)中，只激勵(lì)其中k個(gè)單元(1

這種情況下，無源S參數(shù)不適用，因?yàn)闊o源S參數(shù)是基于只激勵(lì)一個(gè)端口、其余端口進(jìn)行無源匹配的前提計(jì)算；同樣，有源S參數(shù)也不適用。

2 天線隔離度積分計(jì)算方法

針對(duì)陣列中部分天線被激勵(lì)，無源/有源S參數(shù)均無法直接仿真得到天線隔離度問題，提出基于電場強(qiáng)度積分與基于坡印廷矢量積分的2種隔離度分析方法。

2.1 電場強(qiáng)度積分計(jì)算方法

電場強(qiáng)度積分分析方法：基于HFSS軟件的全波仿真結(jié)果，根據(jù)接收端口電場強(qiáng)度計(jì)算接收功率，與發(fā)射功率的差值就是天線隔離度。

計(jì)算步驟如下：

① 在HFSS中進(jìn)行電磁全波仿真，激勵(lì)所有發(fā)射端口，接收端口進(jìn)行匹配；

② 對(duì)激勵(lì)端口添加積分線，便于根據(jù)電場強(qiáng)度計(jì)算電壓降；

③ 根據(jù)端口電壓與阻抗計(jì)算接收功率；

④ 多天線發(fā)射總功率與接收功率的差值即為隔離度。

2.2 坡印廷矢量積分計(jì)算方法

坡印廷矢量[22]積分分析方法：基于HFSS軟件的全波仿真結(jié)果，根據(jù)接收端口坡印廷矢量計(jì)算接收功率，與發(fā)射功率的差值就是天線隔離度。

計(jì)算步驟如下：

① 在HFSS中進(jìn)行電磁全波仿真，激勵(lì)所有發(fā)射端口，接收端口進(jìn)行匹配；

② 根據(jù)坡印廷矢量計(jì)算端口接收功率；

③ 多天線發(fā)射總功率與接收功率的差值即為隔離度。

2.3 積分計(jì)算方法驗(yàn)證

基于圖1進(jìn)行仿真對(duì)比，驗(yàn)證2種積分方法正確性。依次激勵(lì)每個(gè)端口，分別得到S參數(shù)隔離度、電場強(qiáng)度積分的隔離度與坡印廷矢量積分的隔離度，將3種方法的隔離度數(shù)據(jù)對(duì)比如表3所示。

表3 仿真隔離度與計(jì)算隔離度對(duì)比

特別指出，對(duì)比為單激勵(lì)，并非部分激勵(lì)，但是2種積分方法本質(zhì)上適用于單激勵(lì)、部分激勵(lì)與全激勵(lì)的所有情況，因?yàn)殡妶鰪?qiáng)度與坡印廷矢量與各種激勵(lì)情況可以完全對(duì)應(yīng)，體現(xiàn)所有被激勵(lì)天線影響的總和。文獻(xiàn)[14]提出的在多天線隔離度場景中，被干擾天線所受干擾是其他多個(gè)天線的發(fā)射干擾功率的和也說明了思路的正確性。

從對(duì)比可以看出，采用電場強(qiáng)度積分的隔離度與S參數(shù)隔離度完全吻合，采用坡印廷矢量積分隔離度與S參數(shù)隔離度基本吻合，誤差不大于1.5 dB，驗(yàn)證了上述2種積分方法的可行性。

坡印廷矢量積分計(jì)算誤差主要來源于坡印廷矢量在積分計(jì)算功率時(shí)僅考慮法相分量，而忽略斜入射分量的影響，導(dǎo)致計(jì)算的接收功率偏小，天線間隔離度偏大，但是也在可接受程度內(nèi)。

3 多天線隔離度仿真分析

3.1 多天線系統(tǒng)描述

微波頻段多信道、多工作模式的多天線通信系統(tǒng)如圖2所示。天線布局采用2層結(jié)構(gòu)，底層是由24列子陣構(gòu)成的圓環(huán)陣，頂層是由12列子陣構(gòu)成的圓錐陣。綜合天線布局對(duì)稱性與仿真工作量，僅對(duì)圖2(b)中標(biāo)號(hào)天線進(jìn)行仿真研究。

圖2 微波頻段多信道系統(tǒng)示意

3.2 工作模式

按照發(fā)射波束將系統(tǒng)劃分為多端口定向波束發(fā)射與多端口全向波束發(fā)射2種工作模式：

① 多端口定向波束：底層24列圓環(huán)陣中相鄰8列天線空間波束合成發(fā)射；頂層12列圓錐陣中相鄰4列天線空間波束合成發(fā)射。

② 多端口全向波束：底層24列圓環(huán)陣中等間隔8列天線發(fā)射；頂層12列圓錐陣中等間隔4列天線發(fā)射。

3.3 隔離度分類

依據(jù)發(fā)射/接收天線所處層間位置，隔離度模式可以分為層內(nèi)天線隔離度和層間天線隔離度。層內(nèi)天線隔離度即底層/頂層天線分別作為收發(fā)時(shí)隔離度；層間天線隔離度即底層/頂層之間分別收發(fā)時(shí)天線隔離度。

綜合收發(fā)天線位置與發(fā)射模式2種因素，多天線通信系統(tǒng)存在8種類型隔離度模式。

當(dāng)發(fā)射天線為底層天線時(shí)，可以發(fā)射定向波束或全向波束，2種不同工作模式均可以與底層天線及頂層天線形成隔離度問題，總共4種隔離度模式。

發(fā)射天線為頂層天線時(shí)，同樣可以發(fā)射定向波束或全向波束，也分別與底層天線及頂層天線形成隔離度問題，總共4種隔離度模式。

3.4 層內(nèi)部天線隔離度

3.4.1 底層天線隔離度

(1) 定向波束發(fā)射

底層天線定向波束發(fā)射模式示意圖如圖3所示，底層圓環(huán)陣定向波束發(fā)射模式同時(shí)激勵(lì)1～8單元，端口幅相如表4所示，研究計(jì)算9～24單元接收功率，總發(fā)射功率與接收功率差即為天線隔離度。仿真計(jì)算的隔離度如表5所示。

圖3 底層天線定向波束發(fā)射模式示意

表4 1～8單元定向波束發(fā)射的激勵(lì)條件

表5 天線隔離度

(2) 全向波束發(fā)射

在圖3中同時(shí)激勵(lì)1，4， 7，10，13，16，19，22單元，對(duì)天線單元等幅同相饋電?？偘l(fā)射功率與接收功率差即為天線隔離度。仿真計(jì)算的隔離度如表6所示。

表6 天線隔離度

3.4.2 頂層天線隔離度

(1) 定向波束發(fā)射

頂層天線定向波束模式示意圖如圖4所示，頂層圓錐陣定向波束發(fā)射模式同時(shí)激勵(lì)1～4單元，幅相如表7所示，研究與5～12單元隔離度如表8所示。

圖4 頂層天線定向波束模式示意

表7 1～4單元定向波束發(fā)射的激勵(lì)條件

表8 天線隔離度

(2) 全向波束發(fā)射

全向波束模式同時(shí)激勵(lì)圖4中1，4，7，10單元，等幅同相激勵(lì)?？偘l(fā)射功率與接收功率差即為天線隔離度。仿真計(jì)算的隔離度如表9所示。

表9 天線隔離度

3.5 層間天線隔離度

3.5.1 底層發(fā)射，頂層接收

(1) 底層定向波束發(fā)射

如圖2所示的模型示意圖中，底層1～8列天線定向波束發(fā)射，端口幅相信息如表4所示，頂層21～26列天線分別接收，收發(fā)隔離度如表10所示。

表10 底層定向波束發(fā)射、頂層接收隔離度

(2) 底層全向波束發(fā)射

圖2中底層1,4,7,9,10,11,12，13共8列天線全向波束發(fā)射，端口等幅同相激勵(lì)，頂層21～26列子陣分別接收，收發(fā)隔離度如表11所示。

表11 底層全向波束發(fā)射、頂層接收隔離度

3.5.2 頂層發(fā)射，底層接收

(1) 頂層定向波束發(fā)射

圖2中頂層21～24共4列天線定向波束發(fā)射，端口幅相信息如表7所示，底層1～13列子陣分別接收，收發(fā)隔離度如表12所示。

(2) 頂層全向波束發(fā)射

圖2中頂層21,24,25，26共4列天線全向波束發(fā)射，端口等幅同相激勵(lì)，底層1～13列子陣分別接收，收發(fā)隔離度如表13所示。

表12 頂層定向波束發(fā)射、底層接收隔離度

表13 頂層全向波束發(fā)射、底層接收隔離度

4 結(jié)束語

多信道系統(tǒng)中天線隔離度是一個(gè)關(guān)鍵問題。無源S參數(shù)與有源S參數(shù)均無法直接獲取多信道、多工作模式系統(tǒng)中多天線隔離度，而真實(shí)環(huán)境中測試隔離度將復(fù)雜而耗時(shí)，因此研究了2種積分計(jì)算方法。

基于單端口天線仿真驗(yàn)證了2種積分方法的正確性，然后利用電場強(qiáng)度積分方法對(duì)微波頻段多天線隔離度問題展開研究。對(duì)多種工作模式、不同相對(duì)位置多天線進(jìn)行了全波仿真分析，基于仿真數(shù)據(jù)分析多天線間隔離度。后續(xù)將通過實(shí)測與仿真對(duì)比，修正理論分析與實(shí)際的誤差，保證仿真計(jì)算結(jié)果在工程中的可靠性。

多信道系統(tǒng)中多天線間隔離度問題的研究是多信道同時(shí)收發(fā)可行性論證的最為重要環(huán)節(jié)之一，2種分析方法的提出分析多天線隔離度的可行方法。運(yùn)用上述方法對(duì)實(shí)際工程項(xiàng)目進(jìn)行隔離度分析并得到隔離度數(shù)據(jù)，為多天線技術(shù)方案制定奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。