LTE與LTE-A大幅采用多重輸入多重輸出（MIMO）技術(shù)，為相關(guān)設(shè)備和設(shè)備開發(fā)商帶來艱巨的天線設(shè)計挑戰(zhàn)；特別是要在有限配置空間內(nèi)，達(dá)到每支天線所收到的訊號之間具有極低的相關(guān)性極為不易，十分考驗工程師的實作經(jīng)驗與研發(fā)能力。

　　由于智能手機(jī)及平板電腦日益普及，一般消費(fèi)者除了要求此類手持設(shè)備須具備極佳的無線網(wǎng)路連線品質(zhì)之外，對于資料傳輸速率的要求更是日益嚴(yán)苛。從 HSDPA（High-Speed Downlink Packet Access）到長程演進(jìn)計劃（LTE），最高下載速度由14.4Mbit/s提升至300Mbit/s，而未來的先進(jìn)長程演進(jìn)計劃（LTE-A）更是以 1Gbit/s為目標(biāo)來制定相關(guān)的通訊規(guī)格、技術(shù)及硬體需求。

　　另一方面，多輸入多輸出（MIMO）這項技術(shù)可以在毋須增加現(xiàn)有的頻寬及總發(fā)射功率的情況下，有效地提升發(fā)送及接收機(jī)之間的傳送距離及資料吞吐量。多輸入多輸出顧名思義就是在收發(fā)機(jī)的設(shè)計中各自裝有多支天線，以增加傳送端及接收端所看到無線通道或是傳輸路徑個數(shù)，圖1即為一個3&TImes;3的多輸入多輸出系統(tǒng)，在傳送及接收端各自有三根天線，故總共會有九個不同的傳輸路徑，而系統(tǒng)則會從中選擇或合成出較佳的訊號以對抗通道衰落（Fading）的影響。因此，在目前支援高速傳輸?shù)男袆油ㄓ嵰?guī)格中，不論是LTE及未來的LTE-A或是IEEE 802.11ac標(biāo)準(zhǔn)，均制定相關(guān)的規(guī)格，也就是要求傳送端及接收端應(yīng)配置有兩支以上的天線，但這對于相關(guān)的產(chǎn)品開發(fā)也帶來若干的挑戰(zhàn)。

　　圖1　3&TImes;3多輸入多輸出天線系統(tǒng)示意圖

　　LTE/LTE-A邁入MIMO時代　天線陣列設(shè)計備受挑戰(zhàn)

　　在多輸入多輸出系統(tǒng)的天線設(shè)計上，除了每一個天線單體都要有足夠的輻射效率、工作頻寬以及避免訊號死角外，最大的挑戰(zhàn)在于確保每個天線單體所收到的訊號之間具有極低的訊號相關(guān)性，這也意謂著每個天線所收到的電磁訊號是來自不同的傳輸路徑，而由通道容量（Channel Capacity）理論已知：在此前提之下，多輸入多輸出系統(tǒng)將可達(dá)到最大的通道容量及資料傳輸速率。

　　有三種物理上的觀點(diǎn)值得參考，意在藉由天線單體的設(shè)計及配置來降低一組天線對之間的訊號相關(guān)性。

　?。臻g分集（SpaTIal Diversity）

　　最簡易的做法便是將天線之間的距離增加至半個波長以上，或?qū)⑻炀€分散放置在空間中相隔甚遠(yuǎn)的地方（圖2），如此一來，每一支天線所收到的電磁訊號就有極大的機(jī)會是來自不同的傳輸路徑，這是最直接可以降低訊號相關(guān)性的做法，且不須要對原本的天線單體進(jìn)行調(diào)整，可以節(jié)省系統(tǒng)設(shè)計的時間，也因此被大量應(yīng)用在筆記型電腦、桌上型電腦及一體機(jī)的開發(fā)當(dāng)中；然而，對于手持設(shè)備而言，這種做法并不實際。以LTE的700MHz頻段為例，天線必須相距20公分以上，才會出現(xiàn)明顯的空間分集效果。

　　圖2　空間分集示意圖

　?。畼O化分集（PolarizaTIon Diversity）

　　例如當(dāng)兩支天線各自擁有水平極化和垂直極化的輻射場型時（圖3），即使天線擺放的位置相當(dāng)靠近，所收到的訊號仍是互相正交（Orthogonal），經(jīng)由計算可得知其訊號之相關(guān)性為零。雖然理論上而言，此種觀點(diǎn)可以達(dá)到多輸入多輸出系統(tǒng)的最大通道容量，且天線單體擺放位置得以相當(dāng)靠近，但在實際設(shè)計上卻有若干限制。

　　圖3　極化分集示意圖，水平極化為虛線，垂直極化為點(diǎn)虛線。

　　首先，在遠(yuǎn)場的電磁輻射中，只有水平和垂直兩種互相正交的極化，所以對于傳送端或接收端而言，如果為了提高傳輸速度而配置了超過兩支以上的天線，則勢必會有兩個天線單體擁有相同或非正交之極化，因而破壞了極化分集的效果；其次，實際上，天線單體的輻射場型大多同時擁有這兩種極化，只是依輻射場的能量大小可區(qū)分為主極化（Co-polarization）及交叉極化（Cross-polarization），所以在一組天線當(dāng)中即使兩支天線的主極化可以做到完美的極化分集，但因為兩支天線相互的主極化和交叉極化之間并無法做到極化分集，導(dǎo)致這組天線對的訊號相關(guān)性也會因此提高。然而，對于手持設(shè)備而言，調(diào)整每一個天線單體的結(jié)構(gòu)或擺置方向，讓距離遠(yuǎn)小于半波長的天線對擁有正交的主極化輻射場型，是在設(shè)計空間受限的情況下最常采用的做法。