多信道系統中多天線隔離度研究

周國印，王 磊，黃華東，汪進軍，徐 峰

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

0 引言

天線是實現無線傳輸的功能載體，隨著系統功能的復雜化，同一平臺上的接收、發射設備越來越多，天線數量也隨之增加[1-2]。同時使用多個天線進行接收和發射，將不可避免地引起多個天線之間的相互耦合，導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估平臺內天線布局是否合理、系統是否能夠實現兼容性工作的重要依據，是兼容性預測、分析的理論基礎[5-6]。大量研究集中于如何在工程應用中改善天線隔離度，分析對象包括介質基板及天線罩材料[7]、天線端口隔離槽[8]、去耦合單元物理位置[9]、電磁帶隙EBG結構[10-11]、反相耦合相消技術[12]和饋電結構[13]等，在特定應用場景中取得一定實用效果，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，更無法應用于復雜多天線系統中。

在天線隔離度分析方法研究上，文獻[14]針對移動通信基站中多天線間隔離度問題進行系統性闡述。但局限于移動通信領域，且只分析兩天線間隔離度，未對多信道條件下天線隔離度進行研究。文獻[15]對基站天線隔離度進行研究，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天線的發射干擾功率的和”，但是并未展開研究。文獻[16]研究了寬帶天線與窄帶天線隔離度的差異。文獻[17]基于GJB4060—2 000船模隔離度測試方法研究了艦載平臺隔離度測試誤差。文獻[18]總結分析了3種預測艦船短波天線隔離度的原理和計算公式。文獻[19]將天線等效為一端口網絡，利用S參數計算天線間隔離度，但是不涉及多信道。文獻[20]提供一種確定天線隔離度的方法與裝置。

上述研究側重于2個天線/端口之間隔離度，包括理論分析、測試方法與裝置等，但是均未對多個天線工作于多種工作模式隔離度進行研究。而多天線同時工作是典型工作方式，開展多天線隔離度研究是一項緊迫又具有意義的工作，在工程實踐中有助于指導多天線系統論證與設計。

為了研究復雜系統中多天線隔離度問題，從隔離度定義出發，基于全波電磁仿真數據進行計算，充分考慮了天線間互耦影響，提高隔離度數據準確性。綜合考慮工作模式及天線相對位置關系，克服了上述研究在復雜系統中適用性不強的問題。

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]，根據不同激勵條件，分析3種類型天線隔離度。

圖1 8單元環形陣模型

1.1 激勵單個天線

8單元環形陣中，只激勵其中1個單元，其余單元端口無源匹配。

在HFSS仿真結果中查看無源S參數，即為單個天線工作時，該端口與其余端口間的隔離度。對1號端口進行激勵，仿真的天線隔離度如表1所示。

表1 8單元環形陣，1個單元被激勵時天線隔離度

1.2 激勵全部天線

激勵8單元環形陣中的全部天線單元。

在HFSS仿真結果中查看有源S參數(Active S參數)，即為某個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單元環形陣，8個單元均被激勵時天線隔離度

1.3 激勵部分天線

激勵部分天線指在由N個單元組成的天線系統中，只激勵其中k個單元(1

這種情況下，無源S參數不適用，因為無源S參數是基于只激勵一個端口、其余端口進行無源匹配的前提計算；同樣，有源S參數也不適用。

2 天線隔離度積分計算方法

針對陣列中部分天線被激勵，無源/有源S參數均無法直接仿真得到天線隔離度問題，提出基于電場強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 電場強度積分計算方法

電場強度積分分析方法：基于HFSS軟件的全波仿真結果，根據接收端口電場強度計算接收功率，與發射功率的差值就是天線隔離度。

計算步驟如下：

① 在HFSS中進行電磁全波仿真，激勵所有發射端口，接收端口進行匹配；

② 對激勵端口添加積分線，便于根據電場強度計算電壓降；

③ 根據端口電壓與阻抗計算接收功率；

④ 多天線發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軟件的全波仿真結果，根據接收端口坡印廷矢量計算接收功率，與發射功率的差值就是天線隔離度。

計算步驟如下：

① 在HFSS中進行電磁全波仿真，激勵所有發射端口，接收端口進行匹配；

② 根據坡印廷矢量計算端口接收功率；

③ 多天線發射總功率與接收功率的差值即為隔離度。

2.3 積分計算方法驗證

基于圖1進行仿真對比，驗證2種積分方法正確性。依次激勵每個端口，分別得到S參數隔離度、電場強度積分的隔離度與坡印廷矢量積分的隔離度，將3種方法的隔離度數據對比如表3所示。

表3 仿真隔離度與計算隔離度對比

特別指出，對比為單激勵，并非部分激勵，但是2種積分方法本質上適用于單激勵、部分激勵與全激勵的所有情況，因為電場強度與坡印廷矢量與各種激勵情況可以完全對應，體現所有被激勵天線影響的總和。文獻[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天線的發射干擾功率的和也說明了思路的正確性。

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

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

3 多天線隔離度仿真分析

3.1 多天線系統描述

微波頻段多信道、多工作模式的多天線通信系統如圖2所示。天線布局采用2層結構，底層是由24列子陣構成的圓環陣，頂層是由12列子陣構成的圓錐陣。綜合天線布局對稱性與仿真工作量，僅對圖2(b)中標號天線進行仿真研究。

圖2 微波頻段多信道系統示意

3.2 工作模式

按照發射波束將系統劃分為多端口定向波束發射與多端口全向波束發射2種工作模式：

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

② 多端口全向波束：底層24列圓環陣中等間隔8列天線發射；頂層12列圓錐陣中等間隔4列天線發射。

3.3 隔離度分類

依據發射/接收天線所處層間位置，隔離度模式可以分為層內天線隔離度和層間天線隔離度。層內天線隔離度即底層/頂層天線分別作為收發時隔離度；層間天線隔離度即底層/頂層之間分別收發時天線隔離度。

綜合收發天線位置與發射模式2種因素，多天線通信系統存在8種類型隔離度模式。

當發射天線為底層天線時，可以發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。

發射天線為頂層天線時，同樣可以發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 層內部天線隔離度

3.4.1 底層天線隔離度

(1) 定向波束發射

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

圖3 底層天線定向波束發射模式示意

表4 1～8單元定向波束發射的激勵條件

表5 天線隔離度

(2) 全向波束發射

在圖3中同時激勵1，4， 7，10，13，16，19，22單元，對天線單元等幅同相饋電。總發射功率與接收功率差即為天線隔離度。仿真計算的隔離度如表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射模式同時激勵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單元定向波束發射的激勵條件

表8 天線隔離度

(2) 全向波束發射

全向波束模式同時激勵圖4中1，4，7，10單元，等幅同相激勵。總發射功率與接收功率差即為天線隔離度。仿真計算的隔離度如表9所示。

表9 天線隔離度

3.5 層間天線隔離度

3.5.1 底層發射，頂層接收

(1) 底層定向波束發射

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，收發隔離度如表10所示。

表10 底層定向波束發射、頂層接收隔離度

(2) 底層全向波束發射

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

表11 底層全向波束發射、頂層接收隔離度

3.5.2 頂層發射，底層接收

(1) 頂層定向波束發射

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

(2) 頂層全向波束發射

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

表12 頂層定向波束發射、底層接收隔離度

表13 頂層全向波束發射、底層接收隔離度

4 結束語

多信道系統中天線隔離度是一個關鍵問題。無源S參數與有源S參數均無法直接獲取多信道、多工作模式系統中多天線隔離度，而真實環境中測試隔離度將復雜而耗時，因此研究了2種積分計算方法。

基于單端口天線仿真驗證了2種積分方法的正確性，然后利用電場強度積分方法對微波頻段多天線隔離度問題展開研究。對多種工作模式、不同相對位置多天線進行了全波仿真分析，基于仿真數據分析多天線間隔離度。后續將通過實測與仿真對比，修正理論分析與實際的誤差，保證仿真計算結果在工程中的可靠性。

多信道系統中多天線間隔離度問題的研究是多信道同時收發可行性論證的最為重要環節之一，2種分析方法的提出分析多天線隔離度的可行方法。運用上述方法對實際工程項目進行隔離度分析并得到隔離度數據，為多天線技術方案制定奠定堅實基礎。