如何在手持设备中实现天线分集技术

通过在手持设备中引入天线分集技术,我们有可能提高总的系统增益。对终端用户而言,这意味着更大的数据吞吐量、更远的有效范围和更灵活的使用性。不过,在手持设备中置入多个天线也会带来许多相关问题,因为手持设备的成本、尺寸和上市时间与系统的性能同样至关重要。

  天线分集的目的是利用电波在反射环境中的不同传播路径,以提高系统整体性能。就天线而言,有数种不同的分集技术可供考虑。

  空间分集可能是最为人所熟知的类型。一种简单的空间分集派生技术已经在cardbus设备和笔记本电脑中实现,以支持wi-fi应用。在这种情况中,两个天线被集成到设备中,彼此的间距至少为35毫米,因为cardbus的宽度约为50毫米。处理过程包括两个部分:在两个天线之间进行切换,然后选择提供了最佳信号的那只天线。实际上,由于多径效应,空间功率分布函数的节点与零点在距离上非常接近,导致分布在空间中的功率变化非常迅速。当使用两个天线时,即使一个处于无效状态,另一个将很可能接收到强度高得多的信号。

  一种更为精制的空间分集解决方案不是仅使用最佳的一个天线,而是同时处理来自不同天线的信号。通过这样做,我们有可能按相位设置不同的路径,然后将它们相加。当天线之间的距离大约为波长的38%时,我们可获得理论上最佳的性能,即将增益提高了3db。实际上,这个距离对应的相关系数等于零,这意味着不同路径之间的延迟可以被完全确定。

  在实践中,要考虑的距离介于波长的17%到38%之间,它们将增益的提高幅度降至1.5db。这种简化方法是现有的不同算法之一。根据不同的原理,最佳距离可能有所不同。

  波束分集与空间分集略有不同。在空间分集中,天线是相同的,且具有相同的辐射图谱(pattern)和覆盖范围。区别之处仅在于空间位置,这允许天线接收不同的信号。波束分集则采用不同的天线形状或技术,以利用不同的辐射图谱。不同的辐射图谱形状会导致不同的覆盖范围,这允许接收由多径效应造成的来自不同方向的信号。然后,采用与空间分集方案中相类似的方式来处理不同的信号。在这种情况下,两个天线的距离从理论上讲就不那么关键。重点在于不同辐射图谱之间的相关系数,它反映了辐射图谱之间的重叠程度。

  另外,极化分集则是利用天线的正交极化作用。如果使用的天线是相同的,它们应该在物理上互差90度。在这种情况下,天线之间的距离在理论上并不重要。为了获得良好的分集增益,各个天线的正交极化程度显得更为重要。

  电磁耦合问题

  没有哪种天线能提供完美的分集解决方案。实践中采用的通常是这些不同分集类型的组合,尤其是在小型手持设备中,天线之间以及天线与人体之间的距离都很接近。但只要相关系数足够低,这就不是一个主要问题。在任何类型的分集方案中,除了这些参数,与相关系数有关的最关键参数是不同天线之间的耦合。

  天线之间的隔离必须在设计阶段就加以考虑。为了保持较低的相关系数,隔离度要求等于或高于15db。如果隔离度低于15db,那么一只天线所接收的信号将有超过3.5%的能量被传送到相邻的天线,从而降低分集增益。因此,为了保持较高的分集增益,重要的是要理解电磁耦合问题。

  隔离度指的是天线与其周围环境相互作用的方式。天线受环境的干扰越少,隔离度越高。在多个天线的情况下,通过使用从一台网络分析仪上读取的s21参数,直接测量从一只天线传输到另一只天线的能量(也称为耦合),可以确定隔离的程度。天线耦合主要有以下三种方式:

  1.电流耦合。天线在它们的临近范围内会产生较高的电流。如果另一个天线处于相同的范围内(小型设备通常是这种情况),那么耦合会相当高。如果天线没有相互隔离,相关系数也将很高,这意味着即使使用分集技术也不能获得任何优势。根据所使用的天线技术,高电流区域的范围或多或少地被限制在天线附近。保证电流耦合维持在较低水平的一种方法是采用可限制电流的技术。

  2.自由空间耦合。在这种情况下,天线附近磁场中的辐射电波直接从一个天线传到另一个天线。令天线的附近磁场避开其它天线可以减少耦合。

  3.表面波。天线会产生

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发布日期:2019年07月02日  所属分类:参考设计