多天线技术是提升无线通信系统性能的关键手段，将其应用于以低功耗、远距离著称的LoRa技术中，能显著突破单一天线在覆盖、容量和可靠性方面的瓶颈。本报告将深入剖析LoRa模组的多天线方案，涵盖从基础原理到前沿应用的完整链条。
一、 LoRa技术核心与多天线技术基础
要理解多天线方案，首先需明确LoRa的技术本质。LoRa(Long Range)是一种基于 线性调频扩频（Chirp Spread Spectrum， CSS） 的物理层调制技术。其核心组件包括Semtech射频芯片(如SX127x/SX126x系列)、微控制器(MCU)、射频前端、电源管理电路和天线。LoRa通过在宽频带上对信号进行扩频处理，获得了极高的链路预算(可达157dB)，从而实现了在低功耗下的超远距离通信(城市2-5公里，郊区10-15公里)。
而多天线技术，或称MIMO(多输入多输出)技术，其核心思想是通过空间维度增加信道容量或改善信号质量。主要分为三类经典模式：
空间分集（Spatial Diversity） ：利用多根天线接收或发送同一信号的多个副本，通过合并技术对抗信道衰落，主要提升链路可靠性。根据天线配置，可分为接收分集(SIMO)、发射分集(MISO)和收发分集。
空间复用（Spatial Multiplexing） ：在发射端和接收端使用多根天线，在同一时频资源上并行传输多个独立的数据流，主要提升系统吞吐量和频谱效率。
波束赋形（Beam-forming） ：通过调整多天线阵列中每个单元的相位和幅度，使辐射能量集中指向目标用户方向，主要提升定向增益、扩大覆盖范围并抑制干扰。
二、 多天线技术在LoRa系统中的应用形式
尽管标准LoRa终端设备通常为单天线设计以追求极致的低功耗和低成本，但多天线技术主要在 网络侧（网关） 和特定高性能终端中发挥关键作用。
1. 网关侧的多天线增强方案
这是目前LoRa多天线技术最主要、最成熟的应用领域，旨在提升网关的接收性能、容量和覆盖范围。
接收分集（SIMO） ：这是最常见的应用。网关配备多根接收天线，通过 最大比合并（MRC） 等算法合并来自不同天线的信号，能有效对抗多径衰落，大幅提高信号接收的灵敏度和可靠性。研究表明，网关采用2根和4根天线时，覆盖概率相比单天线网关可分别提升约1.5倍和1.97倍。
多用户MIMO（MU-MIMO） ：这是更高级的应用，允许网关同时与多个终端设备通信。研究项目如MaLoRaGW 提出了一种创新的多天线LoRa网关设计，在上行链路中实现多用户数据包检测，在下行链路中利用波束成形技术定向发送数据。这种方案无需修改现有的LoRa终端设备，即可显著提升网络容量，实验表明双天线MaLoRaGW可将上行链路吞吐量提高10%，下行链路吞吐量提高95%。
波束赋形与覆盖优化：通过数字或模拟波束赋形技术，网关可以将信号能量集中投向特定区域的终端，尤其适用于解决边缘覆盖问题或应对定向干扰。
2. 终端侧的多天线方案
终端侧应用相对较少，主要面向对可靠性要求极高的场景。
发射分集（MISO） ：终端配备多根发射天线，采用诸如Alamouti空时编码 等技术，在不增加接收端复杂度的情况下，通过空间和时间上的编码为信号提供分集增益，提升上行链路的传输可靠性。
多发一收架构：在工业物联网等场景中，存在多个传感器节点向一个集中器发送数据的模式。通过优化多个发送节点与单个接收节点的协同，可以大幅提升数据采集的效率和系统可靠性。有案例显示，采用LoRa四发一收方案可将模拟量信号传输误码率从0.2%大幅降低至0.003%。
三、 性能提升量化分析
引入多天线技术为LoRa系统带来了可量化的性能飞跃：
覆盖范围与功率效率：多天线通过分集增益和阵列增益，等效于大幅提升了接收灵敏度或发射功率。研究指出，网关天线数量从1根增加到4根，可使终端设备的发射功率节省约8-29dB，对应的覆盖范围可扩大2.5至27倍。这意味著在维持相同通信距离时，终端电池寿命可显著延长;或在相同功耗下，网络覆盖能力得到质的提升。
网络容量与吞吐量：通过空间复用和MU-MIMO技术，多天线网关可以同时服务更多终端或并行传输更多数据流。MaLoRaGW项目已验证了吞吐量的成倍提升。此外，通过并行处理不同扩频因子(SF)的信号等方式，也能有效提升整体数据传输效率。
链路可靠性：空间分集技术能有效对抗信号衰落。为确保分集效果，天线间距需满足一定要求以降低相关性。经验法则建议，对于868MHz频段，天线最小间距为半波长(约18cm)，而要获得较好的不相关性，间距最好达到13λ/8(约56cm)。
四、 多天线硬件架构与设计关键
实现高性能的LoRa多天线方案，硬件设计至关重要。
天线类型选择：根据应用场景，可选择不同天线：
| 天线类型 | 增益范围 | 特点与适用场景 |
|---|---|---|
| PCB印制天线（IFA/PIFA） | 0-2 dBi | 成本低，集成度高，适合紧凑型终端设备。 |
| 陶瓷贴片天线 | 0-1 dBi | 体积小，一致性高，适合批量生产。 |
| 弹簧/螺旋天线 | 1-3 dBi | 抗弯折，常用于手持设备。 |
| 外置鞭状天线 | 3-5 dBi | 增益高，方向性可调，适合网关或固定站点。 |
阵列布局与隔离：
间距计算：如前所述，分集应用需谨慎设计天线间距以降低相关性。对于视距MIMO，存在最优天线间距公式 ，其中D为传输距离，N为天线数。
干扰规避：在多天线或多频段共存的设备中，必须考虑隔离问题。建议将LoRa天线远离蜂窝网络(LTE/5G)、GNSS、Wi-Fi/蓝牙等天线，并通过空间分离、屏蔽或滤波来抑制干扰。若多个天线同时工作，FCC认证场景下推荐保持至少20厘米间距。
射频与PCB设计：
阻抗匹配：天线与射频前端间的阻抗必须匹配至50Ω，通常需要π型或LC匹配网络，并通过矢量网络分析仪测量S11参数进行调试。
净空区：天线周围必须预留足够的无铜区域(特别是对于PCB天线)，避免金属和走线影响辐射性能。
馈线与接地：射频走线应短而直，并做好阻抗控制。良好的接地平面对天线性能至关重要。
五、 主流厂商与模组方案
多天线LoRa方案的实施依赖于核心芯片和模组供应商的支持。
Semtech：作为LoRa技术的创始者和核心芯片供应商，其产品线是构建多天线系统的基础。
终端收发器：SX126x系列(如SX1262)和LR1121是主流选择。LR1121作为第三代芯片，支持Sub-GHz、2.4GHz及卫星频段，为多频段、高性能应用提供了硬件可能。
网关芯片：SX130x系列是构建多通道、高性能网关的核心，能够同时解调多个不同频点和SF的信号，是多天线网关的基带处理基础。
IMST GmbH：这家德国公司提供高性能的LoRaWAN模组和网关解决方案。其IM891A-XL多区域LoRaWAN无线电模块已通过LoRaWAN认证，体现了其在设计符合标准、可互操作的多天线系统硬件方面的能力。与基于Semtech SX1301芯片的iC880A网关模组一样，这些产品为构建专业级多天线网关提供了可靠参考。
模组厂商：Murata、Microchip、利尔达、亿佰特等模组厂商基于Semtech芯片，提供集成化的LoRa模组。在选择用于多天线系统的模组时，需重点关注其射频性能、接口灵活性(是否便于连接多个射频前端或天线)以及厂商提供的参考设计支持。
六、 总结
LoRa模组的多天线方案并非简单地增加天线数量，而是一套涵盖通信理论、信号处理、射频硬件和网络协议的系统工程。当前，在网关侧采用接收分集和MU-MIMO技术已成为提升LoRaWAN网络性能最有效且可行的路径，能显著扩大覆盖、增加容量并增强鲁棒性。终端侧的多天线应用则更多面向特定高可靠场景。
未来发展趋势包括：
算法与集成深化：更智能的信号合并算法、低复杂度的信道估计与波束成形算法将被集成到网关芯片中，以降低部署难度和成本。
与先进技术融合：多天线技术与LR-FHSS(长距离跳频扩频)等新调制方式结合，以在强干扰环境下提供更可靠的连接。
低成本终端方案探索：随着芯片集成度提高和成本下降，未来可能出现更多支持简单分集功能的高性价比终端模组，进一步提升全网性能。
综上所述，多天线方案为LoRa技术注入了新的活力，使其在保持低功耗优势的同时，能够更好地满足智慧城市、工业物联网等场景下对覆盖、容量和可靠性日益增长的苛刻要求，是LoRa技术持续演进的重要方向。