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TechnicalFeature 技术特写

用于多天线评估和性能优化的

下一代射频设计自动化平台

Next Generation RF Design Automation Platform for
Multi-antenna Assessment and Performance Optimization

Jaakko Juntunen、Joni Lappalainen、Jussi Rahola，芬兰Optenni有限公司

随 着无线技术的变革，在许多便携式设备 方式仅在最简单的情况下才起作用。例如，在
中，无线电系统的数量不断增加，而且随
最理想情况下，沿偶极轴具有零辐射的偶极方
着新兴物联网和5G的应用，这种趋势仍在持续 向图，通过其方向图属性仅能隔离三个天线。
增长。这种趋势为射频设计者们带来了挑战， 周边天线数目往往超过位于彼此近场中的天线
因为他们既需要保证几个同时工作的无线电系 数目（图1），并且工业设计无法以最佳电磁定
统的性能，又需要最大限度地减少干扰和功率 位的方式摆放天线。因此，我们不得不应对一
损耗。 定程度的耦合。
本文从天线角度阐述了多系统设计方面的 不同的无线电系统被射频前端的滤波器
问题。设备中天线元件数量的增加是天线演化 有效隔离，但是依然存在多个缘由，需要谨慎
的主要趋势，与上文提到的多系统趋势一致。 处理天线之间的耦合效应。首先，多输入多输
但是天线多样性、多输入多输出和波束成形技 出系统与不同类天线之间具有相同的频带。其
术进一步推动了这一进程。同时，因设备尺寸 次，谐波频率下的强耦合可能导致发送器A的
不能变大，天线密度会越来越大。这反过来将 互调信号耦合到接收器B的工作频带 - 滤波器
导致耦合作用增强，这是多天线系统设计中的 也可能表现出与通带天线相似的谐波周期性。
主要挑战之一。 再次，滤波器阻带通常适用于50欧姆的电路环
境，而天线阻抗可能是50欧姆以外的任何值，
天线之间的耦合 导致实际通带显著偏离设计值，因此仅当阻带
由于天线本质上是谐振结构，因此相近 靠近通带时性能通常较好。这意味着系统A的滤
的天线之间可能会产生耦合。如果天线之间距 波器可能泄漏从系统B到系统A的耦合功率，导
离非常接近，并且它们的工作频率彼此接近， 致系统A的灵敏度降低和系统B的功率损耗。最
则谐振就更强。与其他物理结构类似，天线通 后，紧凑型天线的辐射效率可能非常差。也就
常也在其最低频率或基频的谐波倍数处发生 是说即使无线电系统被完全滤波，周边的天线
谐振。因此，适用于3GPP频段3（1710 -1880 也会消耗很大一部分耦合功率。
MHz）的天线与5 GHz天线（5170 - 5835 MHz） 为了避免以上问题，我们需要对天线系统
可能出现三次强烈的谐波共振。紧凑型设备中 提出新颖全面的分析和优化方法。
的天线辐射方向图通常是各向同性，虽然通过
交叉极化，天线定向可以用作隔离，但是这种 为什么现有分析方法无法应对？
以往，我们采用了三种不同的天线系统分
析方法：
• 几个 LTE 低/中/高频段 1. 基于测量的方法：多端口系统的S参数
• 蓝牙、WiFi 2.4 GHz、WiFi 通过多端口矢量网络分析仪（VNA）表征，并
5 GHz、近距离无线通信 且每个天线对应的辐射方向图是用位于消声室

• 调频收音机 的人工测量装置完成测定。
图 1. 孔径调谐器的模拟设计流程 2. 通用射频模拟器可以分析天线系统的
• GPS、GLONASS、北斗系统
• 新的 5G 频段 电路，但对辐射相关的数量和效率毫无作用。

3. 天线系统的电磁模拟系统采用灵活的
• …… 虚拟模型取代了人工测量装置，并且常规电磁

软件也包含了大量的模拟数据后处理功能。
图1：便携式移动设备图示，其中包含多个天线和无线电系统。 所有上述方法无法正确处理多天线系统中

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