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如何提高天线的隔离度？

如何提高天线的隔离度？

2023-04-03 13:23:55 859

本文将分为三部分去讲述天线隔离的定义、影响天线隔离度的几个关键因素和天线如何提高隔离度，希望对大家有所帮助。

part1：天线隔离的定义

前不久，我们电巢射频组接到了一个射频相关的咨询项目，客户需要解决一个天线的隔离度问题，而且他们的要求还比较高，要求隔离度达到30dB。

客户自己通过CST仿真得到的仿真数据，和他们实测的数据对不上，所以找到我们电巢，希望解决这个仿真和实测对不上的问题。

我们就针对这个项目做了一些天线隔离度技术问题的研究。

现在的移动通信业务，已经进入了5G时代，那些伴随5G时代而来的名词我相信大家都不会陌生，比如多天线技术，大规模MIMO技术（也就是多发多收技术），多频段载波聚合等等。

这些技术的引入和应用，都没办法绕开一个关键问题，就是同时工作的射频频段和制式变多了。

比如射频终端广域网频段有LTE的band12345678，还有38394041等等，5GNR除了有和LTE相同的频段划分之外，还多了3.5G频段以及毫米波频段。

除了广域网，终端通常都携带有WIFI和蓝牙功能。

频段变多了，终端上的天线也就变多了。

一个终端，可能存在多个天线都在同时发射和接收不同信号，这些信号有可能工作在相邻的频段，甚至是相同的频段，比如WIFI和蓝牙。

这些同时工作的射频信号，如果其中一个发射信号的工作频率恰好落在另一个信号的接收频段，那么发射的信号就会对接收信号造成严重干扰；

即使是发射信号的带外杂散落在其他信号的接收频段，也有可能带来无法忽视的噪声影响。

讲一个真实案例，我曾经在做项目的过程中，碰到一个非常严重的信号干扰问题，当时的情况是，LTEB41的发射杂散严重干扰了WIFI2.4G的接收信号，导致共存测试无法通过。

虽然最后这个问题归咎于一颗射频滤波器件，并最终通过软件时分的方式来解决。

当时LTE天线和WIFI天线之间的隔离度约10dB，已经满足了终端天线隔离度的基本要求。

但是我认为，如果可以将LTE的天线与WIFI天线之间的隔离度再提高一些，也会是另外一个解决问题的有效方法。

什么是天线之间的隔离度呢？天线作为射频无线通路上的最后一个负载，承载着收发信号的使命，它本质上是一个双向的无源器件。

它并不是只发有用信号，只要是源端供过来的所有信号，有用没用，它都会发射出去，只是不同频点的信号，发射出去的效率也不一样，在谐振频点的信号发射效率就高，其他频点效率就低点。

发射的同时呢，它也接收信号，不管什么信号都接收，当然一样的，谐振频点接收效率高，其他频点效率低。

这里有两个天线，A天线发射的信号会被B天线接收，同样的，B天线发射的信号也会被A天线接收。

在专业上，这个物理现象叫做天线互耦。

隔离度就是用来衡量天线互耦程度的大小的物理量。

用更直接一点方式来讲，或者说更接地气的方式来讲，假定两个天线构成一个双端口网络，那么两个天线之间的隔离度就是天线之间的S21。

所以测试隔离度的方法，就是将两个天线接入网分的两个端口直接测S21就可以了。

part2：天线隔离度的关键因素

接下来为大家演示几个测试实例，这些实验都是在我们的电巢共享实验室里测试完成的。

如图，这块板子上有8个天线，分别命名为1号~8号。

这8个天线相互之间的隔离度到底如何呢，我们先测试相距较远的两个天线1号和2号，如红框所示。

可以看到，1号和2号这两个天线之间的隔离度很好，已经达到30dB左右。

我们接下来测试两个离得比较近的天线，2号和7号。

从数据上来看，这两个天线的隔离度差了不少，这说明距离应该是会影响天线隔离度的。

接下来，我们测试2号和3号，2和3之间的距离与2和7之间的距离一样，我们看看隔离度是不是一样

可以看到，隔离度差了很多，用*值来换算，和上一组天线相比，隔离度差了4倍还多。

这说明，距离并不是影响隔离度的*要素，一定还有什么其他原因在影响天线的隔离度。

没错，天线的辐射方向也是影响天线隔离度的一个重要因素。

标准天线的辐射方向图是可以从理论分析得出的。

当两个天线辐射的最强方向相对时，即使两个天线间的距离比较远，它们之间依然会产生比较强的互耦效应，导致隔离度变差。

那么如何提升天线之间的隔离度呢？

对于独立的天线个体，提升隔离度的方式主要有四种。

下面我们一一来演示一下。

第一种方式就是拉开天线之间的距离。

我们用一种更直观的方式来演示。

这是两根2.4G的偶极子天线。我们来看看距离对隔离度的影响。

首先是距离5cm时的隔离度。

然后是相距10cm时，两个天线的隔离度

可以看到，距离10cm时，天线之间的隔离度要比5cm间距的隔离度好一些。

因此，在有条件的情况下，我们尽量将两个天线的间距拉大，这是提升隔离度的有效方式。

但是终端狭小的结构空间，往往限制了天线间的距离。

那么如何在有限的结构空间里提升天线的隔离度呢？早期基站天线会使用加隔离墙的方式来提升隔离度

我们来试试这种方法有没有效果！

从实验结果来看，加隔离墙确实有效果，但是墙的高度会影响隔离的最终效果，具体加多高的墙才能达到隔离指标，很难通过简单的经验判断得出结论。

而且终端上有没有空间给你加这个隔离墙也是一个问题。所以我们需要试试其他的方法，比如试试让两个天线的极化方向垂直。

极化方向垂直的两个天线，即使在距离只有5cm的情况下，也依然得到了极高的隔离度指标，这说明，这种方法非常有效。看起来我们只需要判断出两个天线的极化方向，然后让他们互相垂直就好了，so easy！

如何判断独立天线的极化方式呢？

天线的极化方向，就是天线辐射电场的方向，因此通过天线上的电路方向，就可以简单判断出天线的极化方向。

而对于独立线天线来说，它的电流方向也可以简单的通过天线外形来进行判断。

既然天线极化垂直可以提升隔离度，那么在终端上是否可以通过这种方式来提升隔离呢？

我们直接来测试一下，这个板子上的天线2号和6号

从测试结果可以看出，看似垂直的两个天线隔离度却非常差，这是什么原因呢？

这是因为，我们以为天线只是这一小块的金属铜皮结构，但实际上，构成辐射体的是这整块板子。

确实，在我们以为就是天线本体的这两块金属表面，电流确实垂直，但是这块板子上其他地方的电流就不垂直了。

下面两张图展示了天线工作时，板子上的电流方向。

可以看到，两个天线工作时，板子上的电流是平行的，因此也就不构成极化垂直的条件，隔离度自然不会好。

我们这个板子的环境其实是很简单的，干干净净，就一块PCB板。

电流方向也很规整，就是这样也没办法做到让两个天线极化方向垂直，而真实终端里面的环境会复杂很多，极化方向更能确定。

因此通过让两个天线相互垂直的方式来提升隔离度好像有点不太靠谱。

part3：终端天线如何提高隔离度

在《浅谈天线隔离度问题上篇——天线隔离的定义》中，我们提到天线辐射方向图也会影响天线的隔离度。

只需将两个天线辐射最弱的方向相对，就可以获得较好的隔离度指标。

但是天线辐射方向图有时候并没有办法通过简单的经验判断来得出，特别是我们终端中的PCB天线，PIFA天线，IFA天线。

这些天线的辐射方向图受到天线周围环境以及地平面的影响，光靠看是看不出个123的。

要想提前预知天线辐射的方向图，只能通过准确的3D电磁场仿真才能得出结果。

比如说我们现在这块板子，就用了CST来进行仿真设计，预测了天线的方向图以及天线的隔离度。

大家可以一起来看看，我们仿真和实测的结果到底与多大的区别。

1、2号天线隔离度仿真与实测对比

1、4号天线隔离度仿真与实测对比

通过仿真，我们可以预知天线的方向图，从而提前修改天线的形状，位置，以达到提高天线隔离度的目的。

但是，如果说天线位置已经固定，并且通过更改天线形式，已经无法做到隔离度的提升时，有没有其他的办法来解决这个问题呢？

也是有的。天线间的互耦会影响隔离度，那么如果通过匹配解耦的方式来调节，理论上来说也是有可能让隔离度再次优化的。

退耦网络拓扑图如下。

D网络作为一个四端口网络，起到一个退耦的作用，它的目标就是通过网络变换将S21变为0。

在网络变换的过程中，S11和S22必然会劣化，所以需要匹配网络M来将天线匹配到一个合适的值。

我们将这两个天线当成一个双端口网络，然后用网分测试出这个双端口网络的S参数，保存为SNP文件并导入ADS仿真。

这里采用ADS仿真是为了快速找到合适的集总参数器件，实际匹配情况可能和仿真结果略有差别。

下面是仿真结果。

改善前

改善后

通过仿真得到器件值以后，我们在真实主板中将这些器件焊接上去，看看隔离度能否得到真实优化。

实际使用的匹配器件，和仿真器件略有差别，仿真结果只作为定性，测试结果需以实际器件为准。

通过实测结果与仿真结果对比，我们可以看到，隔离度曲线基本吻合，而且相比之前有比较大改善，从-10dB直接优化的-20dB，而天线本身的VSWR则没有太过于劣化。

这说明通过添加退耦网络改善天线隔离性能是真实有效的。

终端天线的隔离问题确实是天线设计中的一个难点，但是我们有多种方法来进行规避。但是无论哪种方法，都需要在开发前期做预设计，充分考虑后期调试可能出现的情况。

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