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

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

　　另一方面，多輸入多輸出（MIMO）這項技術可以在毋須增加現有的頻寬及總發射功率的情況下，有效地提升發送及接收機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機的設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，圖1即為一個3×3的多輸入多輸出系統，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的行動通訊規格中，不論是LTE及未來的LTE-A或是IEEE 802.11ac標準，均制定相關的規格，也就是要求傳送端及接收端應配置有兩支以上的天線，但這對于相關的產品開發也帶來若干的挑戰。

　　圖1　3×3多輸入多輸出天線系統示意圖

　　LTE/LTE-A邁入MIMO時代　天線陣列設計備受挑戰

　　在多輸入多輸出系統的天線設計上，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，多輸入多輸出系統將可達到最大的通道容量及資料傳輸速率。

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

　　．空間分集（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，或將天線分散放置在空間中相隔甚遠的地方（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會是來自不同的傳輸路徑，這是最直接可以降低訊號相關性的做法，且不須要對原本的天線單體進行調整，可以節省系統設計的時間，也因此被大量應用在筆記型電腦、桌上型電腦及一體機的開發當中；然而，對于手持設備而言，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，才會出現明顯的空間分集效果。

　　圖2　空間分集示意圖

　　．極化分集（Polarization Diversity）

　　例如當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靠近，所收到的訊號仍是互相正交（Orthogonal），經由計算可得知其訊號之相關性為零。雖然理論上而言，此種觀點可以達到多輸入多輸出系統的最大通道容量，且天線單體擺放位置得以相當靠近，但在實際設計上卻有若干限制。

　　圖3　極化分集示意圖，水平極化為虛線，垂直極化為點虛線。

　　首先，在遠場的電磁輻射中，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分為主極化（Co-polarization）及交叉極化（Cross-polarization），所以在一組天線當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，導致這組天線對的訊號相關性也會因此提高。然而，對于手持設備而言，調整每一個天線單體的結構或擺置方向，讓距離遠小于半波長的天線對擁有正交的主極化輻射場型，是在設計空間受限的情況下最常采用的做法。