微波混響暗室的最新應(yīng)用

目前支持多標(biāo)準(zhǔn)的移動(dòng)終端正在大量發(fā)展，并且主要應(yīng)用又集中在多干擾的都市地區(qū)。這不僅帶動(dòng)各種移動(dòng)終端板載小型天線(xiàn)的發(fā)展，并且引導(dǎo)了相應(yīng)的精準(zhǔn)量測(cè)解決方案的開(kāi)發(fā)，如微波混響暗室就是一個(gè)典型的案例，尤其對(duì)于具有多天線(xiàn)的無(wú)線(xiàn)終端產(chǎn)品，微波混響暗室可直接測(cè)量分集增益與MIMO系統(tǒng)容量，同時(shí)具備體積小、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。

此外目前更多的移動(dòng)終端已經(jīng)增加全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS），移動(dòng)電視（如DVB-H）等功能。無(wú)線(xiàn)終端的定義也從移動(dòng)電話(huà)，WiFi路由器，筆記本電腦擴(kuò)展到數(shù)碼相機(jī)，PMP, MP4, RFID等等。

移動(dòng)終端采用的小型天線(xiàn)設(shè)計(jì)難以通過(guò)軟件模擬，所以需要認(rèn)真選擇測(cè)量的方式以增加研發(fā)和生產(chǎn)的效率

小型天線(xiàn)和大型天線(xiàn)的一個(gè)主要不同處，在于它的性能很難通過(guò)傳統(tǒng)的天線(xiàn)設(shè)計(jì)軟件精確模擬。原因就是大型天線(xiàn)通常安裝在周?chē)緵](méi)有阻礙物的空曠環(huán)境；而板載小型天線(xiàn)通常安裝在影響天線(xiàn)性能的外殼內(nèi)。并且由于多標(biāo)準(zhǔn)終端的發(fā)展，一個(gè)終端內(nèi)通常安裝有數(shù)個(gè)可能互相干擾的天線(xiàn)。

小型天線(xiàn)最重要的參數(shù)是天線(xiàn)效率（Antenna Efficiency）。這個(gè)參數(shù)表明有多少發(fā)射功率實(shí)際輻射到空間，或者說(shuō)功放輸出的功率有多少能到達(dá)接收機(jī)。通過(guò)優(yōu)化小天線(xiàn)設(shè)計(jì)來(lái)盡可能提高天線(xiàn)效率，就可能直接影響系統(tǒng)的許多重要參數(shù)，如覆蓋范圍、電池壽命及上行和下行鏈路的誤碼率（Bit Error Rate, BER）。對(duì)于小型天線(xiàn)來(lái)說(shuō)，很難用傳統(tǒng)軟件模擬這類(lèi)測(cè)試。這另外也由于大多數(shù)小型天線(xiàn)必須在多個(gè)信道、甚至多個(gè)頻段都具有較高的效率，因此在無(wú)線(xiàn)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)及驗(yàn)證過(guò)程中，就須要進(jìn)行大量測(cè)量工作。若研發(fā)人員能采用較快的測(cè)量方案來(lái)驗(yàn)證產(chǎn)品性能，就有可以使新產(chǎn)品更快于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手推出，從而增強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力。

吸波暗室（Anechoic Chamber）是在二次大戰(zhàn)期間為測(cè)量雷達(dá)天線(xiàn)而開(kāi)發(fā)的，其適用于測(cè)量大型天線(xiàn)，包括雷達(dá)天線(xiàn)、微波天線(xiàn)、衛(wèi)星天線(xiàn)等。這類(lèi)大型天線(xiàn)的共同點(diǎn)在于它們都是使用在較少干擾或反射的環(huán)境中，我們一般稱(chēng)作視距范圍（Line-of-sight, LOS）。在當(dāng)時(shí)沒(méi)有替代方法的情況下，小型天線(xiàn)的開(kāi)發(fā)也使用吸波暗室進(jìn)行測(cè)量。

不過(guò)在90年代末期，有工程師提出了通過(guò)提高微波混響室的精度和速度，使能夠用它來(lái)測(cè)量小型天線(xiàn)、或安裝有小型天線(xiàn)的移動(dòng)終端的天線(xiàn)效率、輻射功率以及接收靈敏度。如當(dāng)時(shí)在Chalmer理工學(xué)院天線(xiàn)小組工作的Per-Simon Kildal就發(fā)現(xiàn)由于小型天線(xiàn)或安裝有小型天線(xiàn)的移動(dòng)終端（如手機(jī)）通常在室內(nèi)或都市等多反射的環(huán)境中使用，因此傳統(tǒng)吸波暗室測(cè)量天線(xiàn)的方法并不完全適用，圖1是Kildal設(shè)計(jì)微波混響暗室（Reverberation Chamber）的草圖。

圖1　Per-Simon Kildal的微波混響暗室概念圖

同時(shí)有些公司已經(jīng)開(kāi)始研究多天線(xiàn)的移動(dòng)終端，即分集（Diversity）系統(tǒng)或多重輸入多重輸出終端（MIMO Terminal）。這類(lèi)技術(shù)有可能增加移動(dòng)系統(tǒng)的頻譜效率和數(shù)據(jù)吞吐率。在無(wú)反射的環(huán)境，如吸波暗室中，分集或MIMO系統(tǒng)無(wú)法發(fā)揮作用；但在微波混響暗室中卻能很容易快速的測(cè)量出它們的分集增益或MIMO容量。另外微波混響暗室的尺寸大大小于吸波暗室，因此價(jià)格也更有競(jìng)爭(zhēng)力。

傳統(tǒng)測(cè)量天線(xiàn)的方法是在吸波暗室中進(jìn)行，也就是沒(méi)有任何反射的環(huán)境，這通常十分適合用于LOS的大型天線(xiàn)；但對(duì)于應(yīng)用于室內(nèi)或都市這類(lèi)存在有大量反射環(huán)境的小型天線(xiàn)來(lái)說(shuō)，并不合適。為了模擬反射和多徑的環(huán)境，我們需要更符合實(shí)際環(huán)境的測(cè)試系統(tǒng)，如微波混響暗室。微波混響暗室使用瑞利衰落理論（Rayleigh Fading） 來(lái)模擬無(wú)線(xiàn)終端在真實(shí)環(huán)境下的使用，同時(shí)微波混響暗室的尺寸遠(yuǎn)小于吸波暗室，但測(cè)量速度卻遠(yuǎn)快于吸波暗室。

另外這種新技術(shù)之所以吸引越來(lái)越多的關(guān)注，在于它的另一個(gè)明顯的優(yōu)勢(shì)：提供對(duì)具有多天線(xiàn)系統(tǒng)的分集增益（Diversity Gain）和MIMO容量進(jìn)行直接測(cè)量的可能性。在此之前我們采用的測(cè)量方法一般是依循同一環(huán)境路線(xiàn)進(jìn)行多次路測(cè)，然而該方法既復(fù)雜又不可靠。

微波混響暗室測(cè)量方案已在無(wú)線(xiàn)通訊業(yè)界引起大量的關(guān)注，諸如HSPA、WiMAX、LTE等相關(guān)業(yè)者都逐漸考慮采用微波混響暗室進(jìn)行小型多天線(xiàn)系統(tǒng)的特性測(cè)量。

事實(shí)上早在30多年前，就有開(kāi)始應(yīng)用微波混響暗室進(jìn)行電子設(shè)備的電磁兼容測(cè)量（EMC），用以確定其輻射強(qiáng)度，以免干擾其他設(shè)備。微波混響暗室通常是一個(gè)具有某種攪模結(jié)構(gòu)、與不同三維尺寸的金屬盒，也有人稱(chēng)這為「諧振腔」。當(dāng)腔體被一個(gè)或數(shù)個(gè)天線(xiàn)在適當(dāng)頻率激發(fā)時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生一定數(shù)量的駐波模式。這時(shí)將被測(cè)物放放腔體中，它所產(chǎn)生的全部輻射都被保留在腔體內(nèi)，再移動(dòng)金屬板來(lái)改變腔體內(nèi)駐波模式的邊界條件，以保證無(wú)論在什么方向都可以檢測(cè)到輻射功率。用于EMC測(cè)量的微波混響室，其測(cè)量精度通常不超過(guò)3dB的標(biāo)準(zhǔn)差。這樣的精確度對(duì)EMC測(cè)量已經(jīng)足夠，但對(duì)測(cè)量天線(xiàn)的效率、輻射功率或接收靈敏度而言，仍然不夠。

了解了吸波暗室與微波混響暗室的應(yīng)用差異，接下來(lái)介紹微波混響暗室的工作原理。

一般來(lái)說(shuō)在運(yùn)用微波混響室時(shí)，將被測(cè)量的天線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)終端放在混響暗室內(nèi)的轉(zhuǎn)臺(tái)上。待測(cè)設(shè)備的位置只要保證它距離混響暗室任一壁面大于二分之一波長(zhǎng)的距離即可。第二步是測(cè)量待測(cè)物與三個(gè)相互正交的安裝在暗室壁上單極子天線(xiàn)間的傳輸系數(shù)S12。以下將對(duì)天線(xiàn)效率、輻射功率、接收靈敏度、以及分集增益和MIMO容量的計(jì)算作更詳細(xì)的講解。

為了提升量測(cè)技術(shù)，并針對(duì)不同環(huán)境進(jìn)行應(yīng)用，Bluetest開(kāi)發(fā)出與傳統(tǒng)EMC混響暗室不同的高性能微波混響室。其主要區(qū)別是，后者針對(duì)同樣尺寸大小的腔體，能產(chǎn)生更多獨(dú)立取樣數(shù)，而其關(guān)鍵技術(shù)在于采用了多個(gè)相互獨(dú)立的攪模技術(shù)。[!--empirenews.page--]

圖2　標(biāo)準(zhǔn)的微波混響暗室示意圖

VNA的一個(gè)端口通過(guò)射頻開(kāi)關(guān)和互相垂直的3個(gè)單極子天線(xiàn)連接，另一個(gè)端口和混響暗室內(nèi)的偶極子天線(xiàn)連接，偶極子天線(xiàn)安放在轉(zhuǎn)臺(tái)上。相應(yīng)的攪模技術(shù)細(xì)節(jié)包括：由兩個(gè)正交金屬片構(gòu)成的機(jī)械攪模器，通過(guò)沿著腔體的整個(gè)高度和深度移動(dòng)可以獲得大量數(shù)目的獨(dú)立場(chǎng)分布。并透過(guò)平臺(tái)攪動(dòng)，讓待測(cè)物在腔體內(nèi)進(jìn)行圓周移動(dòng)，以測(cè)到更多的獨(dú)立取樣點(diǎn)。再使用三個(gè)固定的相互正交的單極子天線(xiàn)，測(cè)量全部天線(xiàn)上的信號(hào)功率，可將測(cè)得的獨(dú)立取樣數(shù)增加到3倍。最后，在頻率上進(jìn)行平均頻率攪模，將能進(jìn)一步提高測(cè)量精度。

一般來(lái)說(shuō)微波混響室的尺寸越大，測(cè)量精度就越高。因此從850MHz開(kāi)始可使用標(biāo)準(zhǔn)微波混響室、從700MHz開(kāi)始則使用高性能微波混響室，而從400MHz開(kāi)始測(cè)量，則需要尺寸大約為2.0×2.5×3.0米的混響暗室。如果能獲得足夠大量的獨(dú)立模數(shù)，將可證明待測(cè)物各向同性的入射狀況，也就是能測(cè)得天線(xiàn)或移動(dòng)終端在所有方向上的性能。這一特點(diǎn)被用于天線(xiàn)效率、總輻射功率（TRP）及總?cè)蜢`敏度（TIS）的測(cè)量。

在此時(shí)觀察待測(cè)物和單極子天線(xiàn)的S12值，會(huì)發(fā)現(xiàn)呈瑞利分布。當(dāng)有大量互相干擾的獨(dú)立平面波時(shí)，我觀察到的統(tǒng)計(jì)分布和市內(nèi)或都市中心與道德統(tǒng)計(jì)衰落分布非常相似。因此研發(fā)人員可以利用這個(gè)特點(diǎn)進(jìn)行快速接收靈敏度測(cè)量，或者估算分集增益和MIMO容量。

了解以上的工作原理后，我們討論一下實(shí)際測(cè)試的應(yīng)用。首先需要對(duì)一個(gè)已知輻射效率的天線(xiàn)進(jìn)行參考測(cè)量。這個(gè)測(cè)試過(guò)程和在吸波暗室中使用標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭天線(xiàn)類(lèi)似。通過(guò)對(duì)已知輻射效率的天線(xiàn)的測(cè)量可以獲得混響暗室總損耗的估計(jì)。因此必須要求在測(cè)試期間不要增加或減少任何可能影響損耗的物品。

天線(xiàn)效率

參考天線(xiàn)在暗室內(nèi)的位置至少離腔壁或攪模板0.5倍波長(zhǎng)，離人頭模型類(lèi)的吸波材料0.7倍的波長(zhǎng)。使用VNA在連續(xù)攪模的狀態(tài)下測(cè)量由三個(gè)單極子天線(xiàn)任意一個(gè)到參考天線(xiàn)的平均接受功率。在高性能混響暗室中，只需要1分鐘就可以測(cè)到小于0.5dB標(biāo)準(zhǔn)差的功率值。由于參考天線(xiàn)的效率為已知，因此我們可以將接收功率歸一化到假定參考天線(xiàn)具有100%效率時(shí)的接收功率，標(biāo)記為Pref 。在完成參考測(cè)量后就可以測(cè)量未知天線(xiàn)的效率，過(guò)程和前面所述類(lèi)似。將被測(cè)天線(xiàn)測(cè)得的功率標(biāo)記為PAUT。這樣就可以使用下面公式計(jì)算待測(cè)天線(xiàn)的效率

總輻射功率

關(guān)于總輻射功率 （TRP），理論上就是移動(dòng)終端在全方向輻射功率的全積分。這個(gè)值會(huì)受到功放輸出功率，功放和天線(xiàn)間的失配，天線(xiàn)效率以及天線(xiàn)附近的吸波物質(zhì)等影響。

在混響暗室中測(cè)量移動(dòng)終端的總輻射功率，需要將待測(cè)物安放在轉(zhuǎn)臺(tái)上，至少離腔壁或攪模板0.5倍波長(zhǎng)， 離吸波材料0.7倍的波長(zhǎng)，將基站模擬器（綜測(cè)儀）連接到3個(gè)單極子天線(xiàn)，這樣基站模擬器和移動(dòng)終端可以建立連接，同時(shí)基站模擬器命令移動(dòng)終端輸出最大功率。然后測(cè)量移動(dòng)終端和單極子天線(xiàn)之間的功率。從參考測(cè)量我們已經(jīng)知道了混響暗室的總損耗值，這樣就很容易計(jì)算總輻射功率。和測(cè)量天線(xiàn)效率類(lèi)似，在高性能混響暗室中，只需要1分鐘就可以測(cè)到小于0.5dB標(biāo)準(zhǔn)差的功率值。

全向靈敏度

全向靈敏度（TIS） 理論上就是通過(guò)天線(xiàn)到達(dá)移動(dòng)終端接收機(jī)的功率在全方向上的積分。這個(gè)值會(huì)受到接收機(jī)靈敏度，接收機(jī)和天線(xiàn)間的失配，天線(xiàn)效率以及天線(xiàn)附近的吸波物質(zhì)等影響。

在混響暗室中測(cè)量移動(dòng)終端的全向靈敏度，準(zhǔn)備工作和前面所述類(lèi)似。建立連接后，基站模擬器按照給定的低信號(hào)發(fā)送比特?cái)?shù)據(jù)流給移動(dòng)終端，并要求移動(dòng)終端以最大功率回傳數(shù)據(jù)流，然后基站模擬器對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行對(duì)比。以GSM手機(jī)為例，如果誤碼率小于2.4%，則基站模擬器會(huì)進(jìn)一步降低輸出功率，直到誤碼率達(dá)到2.4%。此時(shí)的發(fā)射功率除去暗室總損耗就是誤碼率為2.4%時(shí)的接收功率。然后對(duì)每個(gè)攪模器的位置進(jìn)行重復(fù)測(cè)量，并平均所有數(shù)值就可以算出TIS值。一般來(lái)說(shuō)TIS測(cè)量應(yīng)該在沒(méi)有衰落的環(huán)境中進(jìn)行，這可能是由于習(xí)慣上采用吸波暗室的原因。雖然在混響暗室也可以進(jìn)行靜態(tài)測(cè)量，只要將所有攪模器固定位置后測(cè)試誤碼率即可，不過(guò)這樣的話(huà)在混響暗室測(cè)量TIS也需要很長(zhǎng)的時(shí)間。

但是混響暗室也提供在衰落環(huán)境下測(cè)量接收機(jī)靈敏度的方案，這樣也更加接近真實(shí)情況。我們一般稱(chēng)這種情況為平均衰落靈敏度（Average Fading Sensitivity, AFS）。測(cè)量方法和前面描述類(lèi)似，不同點(diǎn)是在所有攪模器移動(dòng)的過(guò)程中測(cè)量平均誤碼率。由測(cè)試得知，AFS和TIS之間有一個(gè)固定差值，也就是TIS可以由AFS來(lái)推導(dǎo)出。選擇適當(dāng)?shù)臏y(cè)量方法，AFS可以在大約5分鐘內(nèi)測(cè)試得到。

分集增益

分集技術(shù)是基于多個(gè)處于不同衰落點(diǎn)的天線(xiàn)集的接收信號(hào)總和的應(yīng)用。通過(guò)選擇不同信號(hào)的組合，即使在最差的1%衰落環(huán)境下，天線(xiàn)的分集增益也可以提升10 dB。傳統(tǒng)方法可以通過(guò)路測(cè)得出分集增益的數(shù)值。不過(guò)問(wèn)題就是當(dāng)開(kāi)發(fā)人員進(jìn)行天線(xiàn)的最優(yōu)化配置的時(shí)候，路測(cè)衰落環(huán)境卻是在不斷變化的，這使得開(kāi)發(fā)工程師永遠(yuǎn)無(wú)法獲知路測(cè)的結(jié)果是由于環(huán)境變化還更改天線(xiàn)集的配置所引起的。當(dāng)然我們也可以通過(guò)吸波暗室測(cè)量天線(xiàn)的分集增益，測(cè)量天線(xiàn)集中每個(gè)天線(xiàn)的增益，測(cè)量完成后利用軟件加入各種衰落模型用于估算分集增益。不過(guò)這種方法需要很長(zhǎng)的時(shí)間，少則數(shù)小時(shí)，多則數(shù)十小時(shí)。

所以我們提出一個(gè)有效的方案，使用可以重現(xiàn)瑞利衰落的混響暗室。我們將天線(xiàn)集如前所訴放入暗室，使用多端口VNA測(cè)量天線(xiàn)集內(nèi)的各個(gè)天線(xiàn)端的信號(hào)振幅和相位以及三個(gè)單極子天線(xiàn)的散射參數(shù)S1j。對(duì)于雙天線(xiàn)分集系統(tǒng)S12和S13可同時(shí)測(cè)量得到。每一個(gè)天線(xiàn)對(duì)應(yīng)于特定的衰落點(diǎn)，分別顯示特定的發(fā)生概率，我們稱(chēng)這樣的概率為累計(jì)分布概率（Cumulative Distribution Probability, CDP）。通過(guò)每個(gè)時(shí)間點(diǎn)測(cè)量到的S12和S13最佳值形成的CDP就是所謂的選用組合。而之間任意一個(gè)CDP和組合CDP的差值就分集增益。[!--empirenews.page--]

當(dāng)然分集天線(xiàn)集最重要的參數(shù)是和理想天線(xiàn)相比的增益，也就是具有100%效率天線(xiàn)的CDP和選用組合的CDP的比值，我們稱(chēng)之為有效分集增益（Effective Diversity Pain）。如果和有損耗的天線(xiàn)CDP相比，我們稱(chēng)之為實(shí)際分集增益（Actual Diversity Gain）。對(duì)于耦合很強(qiáng)的天線(xiàn)集，如非常接近的偶極子天線(xiàn)，天線(xiàn)效率會(huì)非常低。這意味著看上去很好的分集增益，還不如單一天線(xiàn)

MIMO 系統(tǒng)容量

在未來(lái)的移動(dòng)通信系統(tǒng)中，建議在基站和終端都使用天線(xiàn)陣以形成多個(gè)獨(dú)立的通信通道（例如MIMO系統(tǒng)）。例如，3根和6根天線(xiàn)分別在系統(tǒng)的發(fā)信和收信端，對(duì)應(yīng)于形成3X6=18個(gè)可能的通道。然后數(shù)據(jù)分布傳輸在這些通道上并在接收端匯合在一起。如此一來(lái)所有的通道容量都被最大化。

最大的MIMO系統(tǒng)的可能平均通道容量可有下面公式計(jì)算得出。作為舉例，我們采用一個(gè)3x6的MIMO系統(tǒng)。暗室中包括3個(gè)理論上不會(huì)耦合的單極子天線(xiàn)和安裝在圓形底盤(pán)上的6相距較近個(gè)單極子天線(xiàn)，天線(xiàn)間有固定的相等距離（待測(cè)MIMO陣列）。3個(gè)固定在暗室壁上互相垂直的單極子天線(xiàn)距離足夠遠(yuǎn)，所以耦合非常小。在另一端的MIMO陣列中6個(gè)距離非常近的單極子天線(xiàn)互相影響明顯，它們之間的距離決定了互相耦合度。

當(dāng)測(cè)量暗室中的MIMO 陣列時(shí)，通過(guò)暗室壁上的3個(gè)單極子天線(xiàn)（在這個(gè)例子中）。我們可以定義3 x 6=18個(gè)通道。我們可以通過(guò)歸一化的S21參數(shù)得出的通道矩陣H3X6-MIMO 推算出混合通道容量。此時(shí)的瞬間MIMO系統(tǒng)的容量推導(dǎo)公式為香農(nóng)定律（Shannons）

其中H= H3X6-MIMO