多信道系统中多天线隔离度研究

周国印，王 磊，黄华东，汪进军，徐 峰

(1.北京特种车辆研究所，北京 100072； 2.武汉中原电子集团有限公司研发中心，湖北 武汉 430205)

0 引言

天线是实现无线传输的功能载体，随着系统功能的复杂化，同一平台上的接收、发射设备越来越多，天线数量也随之增加[1-2]。同时使用多个天线进行接收和发射，将不可避免地引起多个天线之间的相互耦合，导致天线间隔离度减小，从而降低通信容量[3-4]。

天线隔离度是衡量和评估平台内天线布局是否合理、系统是否能够实现兼容性工作的重要依据，是兼容性预测、分析的理论基础[5-6]。大量研究集中于如何在工程应用中改善天线隔离度，分析对象包括介质基板及天线罩材料[7]、天线端口隔离槽[8]、去耦合单元物理位置[9]、电磁带隙EBG结构[10-11]、反相耦合相消技术[12]和馈电结构[13]等，在特定应用场景中取得一定实用效果，改善了天线隔离度，形成部分研究理论，但是不具备普遍适用性，更无法应用于复杂多天线系统中。

在天线隔离度分析方法研究上，文献[14]针对移动通信基站中多天线间隔离度问题进行系统性阐述。但局限于移动通信领域，且只分析两天线间隔离度，未对多信道条件下天线隔离度进行研究。文献[15]对基站天线隔离度进行研究，提出“在多天线隔离度场景中，被干扰天线所受干扰是其他多个天线的发射干扰功率的和”，但是并未展开研究。文献[16]研究了宽带天线与窄带天线隔离度的差异。文献[17]基于GJB4060—2 000船模隔离度测试方法研究了舰载平台隔离度测试误差。文献[18]总结分析了3种预测舰船短波天线隔离度的原理和计算公式。文献[19]将天线等效为一端口网络，利用S参数计算天线间隔离度，但是不涉及多信道。文献[20]提供一种确定天线隔离度的方法与装置。

上述研究侧重于2个天线/端口之间隔离度，包括理论分析、测试方法与装置等，但是均未对多个天线工作于多种工作模式隔离度进行研究。而多天线同时工作是典型工作方式，开展多天线隔离度研究是一项紧迫又具有意义的工作，在工程实践中有助于指导多天线系统论证与设计。

为了研究复杂系统中多天线隔离度问题，从隔离度定义出发，基于全波电磁仿真数据进行计算，充分考虑了天线间互耦影响，提高隔离度数据准确性。综合考虑工作模式及天线相对位置关系，克服了上述研究在复杂系统中适用性不强的问题。

1 天线隔离度分类

在HFSS中建立如图1所示的8单元天线模型[21]，根据不同激励条件，分析3种类型天线隔离度。

图1 8单元环形阵模型

1.1 激励单个天线

8单元环形阵中，只激励其中1个单元，其余单元端口无源匹配。

在HFSS仿真结果中查看无源S参数，即为单个天线工作时，该端口与其余端口间的隔离度。对1号端口进行激励，仿真的天线隔离度如表1所示。

表1 8单元环形阵，1个单元被激励时天线隔离度

1.2 激励全部天线

激励8单元环形阵中的全部天线单元。

在HFSS仿真结果中查看有源S参数(Active S参数)，即为某个单元与其余单元间的隔离度，仿真的天线隔离度如表2所示。

表2 8单元环形阵，8个单元均被激励时天线隔离度

1.3 激励部分天线

激励部分天线指在由N个单元组成的天线系统中，只激励其中k个单元(1

这种情况下，无源S参数不适用，因为无源S参数是基于只激励一个端口、其余端口进行无源匹配的前提计算；同样，有源S参数也不适用。

2 天线隔离度积分计算方法

针对阵列中部分天线被激励，无源/有源S参数均无法直接仿真得到天线隔离度问题，提出基于电场强度积分与基于坡印廷矢量积分的2种隔离度分析方法。

2.1 电场强度积分计算方法

电场强度积分分析方法：基于HFSS软件的全波仿真结果，根据接收端口电场强度计算接收功率，与发射功率的差值就是天线隔离度。

计算步骤如下：

① 在HFSS中进行电磁全波仿真，激励所有发射端口，接收端口进行匹配；

② 对激励端口添加积分线，便于根据电场强度计算电压降；

③ 根据端口电压与阻抗计算接收功率；

④ 多天线发射总功率与接收功率的差值即为隔离度。

2.2 坡印廷矢量积分计算方法

坡印廷矢量[22]积分分析方法：基于HFSS软件的全波仿真结果，根据接收端口坡印廷矢量计算接收功率，与发射功率的差值就是天线隔离度。

计算步骤如下：

① 在HFSS中进行电磁全波仿真，激励所有发射端口，接收端口进行匹配；

② 根据坡印廷矢量计算端口接收功率；

③ 多天线发射总功率与接收功率的差值即为隔离度。

2.3 积分计算方法验证

基于图1进行仿真对比，验证2种积分方法正确性。依次激励每个端口，分别得到S参数隔离度、电场强度积分的隔离度与坡印廷矢量积分的隔离度，将3种方法的隔离度数据对比如表3所示。

表3 仿真隔离度与计算隔离度对比

特别指出，对比为单激励，并非部分激励，但是2种积分方法本质上适用于单激励、部分激励与全激励的所有情况，因为电场强度与坡印廷矢量与各种激励情况可以完全对应，体现所有被激励天线影响的总和。文献[14]提出的在多天线隔离度场景中，被干扰天线所受干扰是其他多个天线的发射干扰功率的和也说明了思路的正确性。

从对比可以看出，采用电场强度积分的隔离度与S参数隔离度完全吻合，采用坡印廷矢量积分隔离度与S参数隔离度基本吻合，误差不大于1.5 dB，验证了上述2种积分方法的可行性。

坡印廷矢量积分计算误差主要来源于坡印廷矢量在积分计算功率时仅考虑法相分量，而忽略斜入射分量的影响，导致计算的接收功率偏小，天线间隔离度偏大，但是也在可接受程度内。

3 多天线隔离度仿真分析

3.1 多天线系统描述

微波频段多信道、多工作模式的多天线通信系统如图2所示。天线布局采用2层结构，底层是由24列子阵构成的圆环阵，顶层是由12列子阵构成的圆锥阵。综合天线布局对称性与仿真工作量，仅对图2(b)中标号天线进行仿真研究。

图2 微波频段多信道系统示意

3.2 工作模式

按照发射波束将系统划分为多端口定向波束发射与多端口全向波束发射2种工作模式：

① 多端口定向波束：底层24列圆环阵中相邻8列天线空间波束合成发射；顶层12列圆锥阵中相邻4列天线空间波束合成发射。

② 多端口全向波束：底层24列圆环阵中等间隔8列天线发射；顶层12列圆锥阵中等间隔4列天线发射。

3.3 隔离度分类

依据发射/接收天线所处层间位置，隔离度模式可以分为层内天线隔离度和层间天线隔离度。层内天线隔离度即底层/顶层天线分别作为收发时隔离度；层间天线隔离度即底层/顶层之间分别收发时天线隔离度。

综合收发天线位置与发射模式2种因素，多天线通信系统存在8种类型隔离度模式。

当发射天线为底层天线时，可以发射定向波束或全向波束，2种不同工作模式均可以与底层天线及顶层天线形成隔离度问题，总共4种隔离度模式。

发射天线为顶层天线时，同样可以发射定向波束或全向波束，也分别与底层天线及顶层天线形成隔离度问题，总共4种隔离度模式。

3.4 层内部天线隔离度

3.4.1 底层天线隔离度

(1) 定向波束发射

底层天线定向波束发射模式示意图如图3所示，底层圆环阵定向波束发射模式同时激励1～8单元，端口幅相如表4所示，研究计算9～24单元接收功率，总发射功率与接收功率差即为天线隔离度。仿真计算的隔离度如表5所示。

图3 底层天线定向波束发射模式示意

表4 1～8单元定向波束发射的激励条件

表5 天线隔离度

(2) 全向波束发射

在图3中同时激励1，4， 7，10，13，16，19，22单元，对天线单元等幅同相馈电。总发射功率与接收功率差即为天线隔离度。仿真计算的隔离度如表6所示。

表6 天线隔离度

3.4.2 顶层天线隔离度

(1) 定向波束发射

顶层天线定向波束模式示意图如图4所示，顶层圆锥阵定向波束发射模式同时激励1～4单元，幅相如表7所示，研究与5～12单元隔离度如表8所示。

图4 顶层天线定向波束模式示意

表7 1～4单元定向波束发射的激励条件

表8 天线隔离度

(2) 全向波束发射

全向波束模式同时激励图4中1，4，7，10单元，等幅同相激励。总发射功率与接收功率差即为天线隔离度。仿真计算的隔离度如表9所示。

表9 天线隔离度

3.5 层间天线隔离度

3.5.1 底层发射，顶层接收

(1) 底层定向波束发射

如图2所示的模型示意图中，底层1～8列天线定向波束发射，端口幅相信息如表4所示，顶层21～26列天线分别接收，收发隔离度如表10所示。

表10 底层定向波束发射、顶层接收隔离度

(2) 底层全向波束发射

图2中底层1,4,7,9,10,11,12，13共8列天线全向波束发射，端口等幅同相激励，顶层21～26列子阵分别接收，收发隔离度如表11所示。

表11 底层全向波束发射、顶层接收隔离度

3.5.2 顶层发射，底层接收

(1) 顶层定向波束发射

图2中顶层21～24共4列天线定向波束发射，端口幅相信息如表7所示，底层1～13列子阵分别接收，收发隔离度如表12所示。

(2) 顶层全向波束发射

图2中顶层21,24,25，26共4列天线全向波束发射，端口等幅同相激励，底层1～13列子阵分别接收，收发隔离度如表13所示。

表12 顶层定向波束发射、底层接收隔离度

表13 顶层全向波束发射、底层接收隔离度

4 结束语

多信道系统中天线隔离度是一个关键问题。无源S参数与有源S参数均无法直接获取多信道、多工作模式系统中多天线隔离度，而真实环境中测试隔离度将复杂而耗时，因此研究了2种积分计算方法。

基于单端口天线仿真验证了2种积分方法的正确性，然后利用电场强度积分方法对微波频段多天线隔离度问题展开研究。对多种工作模式、不同相对位置多天线进行了全波仿真分析，基于仿真数据分析多天线间隔离度。后续将通过实测与仿真对比，修正理论分析与实际的误差，保证仿真计算结果在工程中的可靠性。

多信道系统中多天线间隔离度问题的研究是多信道同时收发可行性论证的最为重要环节之一，2种分析方法的提出分析多天线隔离度的可行方法。运用上述方法对实际工程项目进行隔离度分析并得到隔离度数据，为多天线技术方案制定奠定坚实基础。