用來測量天線的工具與應用：微波混響暗室

目前支持多標準的移動終端正在大量發(fā)展，并且主要應用又集中在多干擾的都市地區(qū)。這不僅帶動各種移動終端板載小型天線的發(fā)展，并且引導了相應的精準量測解決方案的開發(fā)，如微波混響暗室就是一個典型的案例，尤其對于具有多天線的無線終端產(chǎn)品，微波混響暗室可直接測量分集增益與MIMO系統(tǒng)容量，同時具備體積小、價格低等優(yōu)點。

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

移動終端采用的小型天線設計難以通過軟件模擬，所以需要認真選擇測量的方式以增加研發(fā)和生產(chǎn)的效率。

小型天線和大型天線的一個主要不同處，在于它的性能很難通過傳統(tǒng)的天線設計軟件精確模擬。原因就是大型天線通常安裝在周圍基本沒有阻礙物的空曠環(huán)境；而板載小型天線通常安裝在影響天線性能的外殼內(nèi)。并且由于多標準終端的發(fā)展，一個終端內(nèi)通常安裝有數(shù)個可能互相干擾的天線。

小型天線最重要的參數(shù)是天線效率（Antenna Efficiency）。這個參數(shù)表明有多少發(fā)射功率實際輻射到空間，或者說功放輸出的功率有多少能到達接收機。通過優(yōu)化小天線設計來盡可能提高天線效率，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）。對于小型天線來說，很難用傳統(tǒng)軟件模擬這類測試。這另外也由于大多數(shù)小型天線必須在多個信道、甚至多個頻段都具有較高的效率，因此在無線產(chǎn)品的開發(fā)及驗證過程中，就須要進行大量測量工作。若研發(fā)人員能采用較快的測量方案來驗證產(chǎn)品性能，就有可以使新產(chǎn)品更快于競爭對手推出，從而增強競爭力。

吸波暗室（Anechoic Chamber）是在二次大戰(zhàn)期間為測量雷達天線而開發(fā)的，其適用于測量大型天線，包括雷達天線、微波天線、衛(wèi)星天線等。這類大型天線的共同點在于它們都是使用在較少干擾或反射的環(huán)境中，我們一般稱作視距范圍（Line-of-sight， LOS）。在當時沒有替代方法的情況下，小型天線的開發(fā)也使用吸波暗室進行測量。

不過在90年代末期，有工程師提出了通過提高微波混響室的精度和速度，使能夠用它來測量小型天線、或安裝有小型天線的移動終端的天線效率、輻射功率以及接收靈敏度。如當時在Chalmer理工學院天線小組工作的Per-Simon Kildal就發(fā)現(xiàn)由于小型天線或安裝有小型天線的移動終端（如手機）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)吸波暗室測量天線的方法并不完全適用，圖1是Kildal設計微波混響暗室（Reverberation Chamber）的草圖。

圖1　Per-Simon Kildal的微波混響暗室概念圖

同時有些公司已經(jīng)開始研究多天線的移動終端，即分集（Diversity）系統(tǒng)或多重輸入多重輸出終端（MIMO Terminal）。這類技術有可能增加移動系統(tǒng)的頻譜效率和數(shù)據(jù)吞吐率。在無反射的環(huán)境，如吸波暗室中，分集或MIMO系統(tǒng)無法發(fā)揮作用；但在微波混響暗室中卻能很容易快速的測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，因此價格也更有競爭力。

傳統(tǒng)測量天線的方法是在吸波暗室中進行，也就是沒有任何反射的環(huán)境，這通常十分適合用于LOS的大型天線；但對于應用于室內(nèi)或都市這類存在有大量反射環(huán)境的小型天線來說，并不合適。為了模擬反射和多徑的環(huán)境，我們需要更符合實際環(huán)境的測試系統(tǒng)，如微波混響暗室。微波混響暗室使用瑞利衰落理論（Rayleigh Fading） 來模擬無線終端在真實環(huán)境下的使用，同時微波混響暗室的尺寸遠小于吸波暗室，但測量速度卻遠快于吸波暗室。

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

微波混響暗室測量方案已在無線通訊業(yè)界引起大量的關注，諸如HSPA、WiMAX、LTE等相關業(yè)者都逐漸考慮采用微波混響暗室進行小型多天線系統(tǒng)的特性測量。

事實上早在30多年前，就有開始應用微波混響暗室進行電子設備的電磁兼容測量（EMC），用以確定其輻射強度，以免干擾其他設備。微波混響暗室通常是一個具有某種攪模結構、與不同三維尺寸的金屬盒，也有人稱這為「諧振腔」。當腔體被一個或數(shù)個天線在適當頻率激發(fā)時，將會產(chǎn)生一定數(shù)量的駐波模式。這時將被測物放放腔體中，它所產(chǎn)生的全部輻射都被保留在腔體內(nèi)，再移動金屬板來改變腔體內(nèi)駐波模式的邊界條件，以保證無論在什么方向都可以檢測到輻射功率。用于EMC測量的微波混響室，其測量精度通常不超過3dB的標準差。這樣的精確度對EMC測量已經(jīng)足夠，但對測量天線的效率、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用差異，接下來介紹微波混響暗室的工作原理。

一般來說在運用微波混響室時，將被測量的天線或無線終端放在混響暗室內(nèi)的轉(zhuǎn)臺上。待測設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的距離即可。第二步是測量待測物與三個相互正交的安裝在暗室壁上單極子天線間的傳輸系數(shù)S12。以下將對天線效率、輻射功率、接收靈敏度、以及分集增益和MIMO容量的計算作更詳細的講解。

為了提升量測技術，並針對不同環(huán)境進行應用，Bluetest開發(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，后者針對同樣尺寸大小的腔體，能產(chǎn)生更多獨立取樣數(shù)，而其關鍵技術在于采用了多個相互獨立的攪模技術。

圖2　標準的微波混響暗室示意圖

VNA的一個端口通過射頻開關和互相垂直的3個單極子天線連接，另一個端口和混響暗室內(nèi)的偶極子天線連接，偶極子天線安放在轉(zhuǎn)臺上。相應的攪模技術細節(jié)包括：由兩個正交金屬片構成的機械攪模器，通過沿著腔體的整個高度和深度移動可以獲得大量數(shù)目的獨立場分布。並透過平臺攪動，讓待測物在腔體內(nèi)進行圓周移動，以測到更多的獨立取樣點。再使用三個固定的相互正交的單極子天線，測量全部天線上的信號功率，可將測得的獨立取樣數(shù)增加到3倍。最后，在頻率上進行平均頻率攪模，將能進一步提高測量精度。

一般來說微波混響室的尺寸越大，測量精度就越高。因此從850MHz開始可使用標準微波混響室、從700MHz開始則使用高性能微波混響室，而從400MHz開始測量，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立模數(shù)，將可證明待測物各向同性的入射狀況，也就是能測得天線或移動終端在所有方向上的性能。這一特點被用于天線效率、總輻射功率（TRP）及總全向靈敏度（TIS）的測量。

在此時觀察待測物和單極子天線的S12值，會發(fā)現(xiàn)呈瑞利分布。當有大量互相干擾的獨立平面波時，我觀察到的統(tǒng)計分布和市內(nèi)或都市中心與道德統(tǒng)計衰落分布非常相似。因此研發(fā)人員可以利用這個特點進行快速接收靈敏度測量，或者估算分集增益和MIMO容量。

了解以上的工作原理后，我們討論一下實際測試的應用。首先需要對一個已知輻射效率的天線進行參考測量。這個測試過程和在吸波暗室中使用標準增益喇叭天線類似。通過對已知輻射效率的天線的測量可以獲得混響暗室總損耗的估計。因此必須要求在測試期間不要增加或減少任何可能影響損耗的物品。

天線效率

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

總輻射功率

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

在混響暗室中測量移動終端的總輻射功率，需要將待測物安放在轉(zhuǎn)臺上，至少離腔壁或攪模板0.5倍波長， 離吸波材料0.7倍的波長，將基站模擬器（綜測儀）連接到3個單極子天線，這樣基站模擬器和移動終端可以建立連接，同時基站模擬器命令移動終端輸出最大功率。然后測量移動終端和單極子天線之間的功率。從參考測量我們已經(jīng)知道了混響暗室的總損耗值，這樣就很容易計算總輻射功率。和測量天線效率類似，在高性能混響暗室中，只需要1分鐘就可以測到小于0.5dB標準差的功率值。

全向靈敏度

全向靈敏度（TIS） 理論上就是通過天線到達移動終端接收機的功率在全方向上的積分。這個值會受到接收機靈敏度，接收機和天線間的失配，天線效率以及天線附近的吸波物質(zhì)等影響。

在混響暗室中測量移動終端的全向靈敏度，準備工作和前面所述類似。建立連接后，基站模擬器按照給定的低信號發(fā)送比特數(shù)據(jù)流給移動終端，并要求移動終端以最大功率回傳數(shù)據(jù)流，然后基站模擬器對數(shù)據(jù)流進行對比。以GSM手機為例，如果誤碼率小于2.4%，則基站模擬器會進一步降低輸出功率，直到誤碼率達到2.4%。此時的發(fā)射功率除去暗室總損耗就是誤碼率為2.4%時的接收功率。然后對每個攪模器的位置進行重復測量，并平均所有數(shù)值就可以算出TIS值。一般來說TIS測量應該在沒有衰落的環(huán)境中進行，這可能是由于習慣上采用吸波暗室的原因。雖然在混響暗室也可以進行靜態(tài)測量，只要將所有攪模器固定位置后測試誤碼率即可，不過這樣的話在混響暗室測量TIS也需要很長的時間。

但是混響暗室也提供在衰落環(huán)境下測量接收機靈敏度的方案，這樣也更加接近真實情況。我們一般稱這種情況為平均衰落靈敏度（Average Fading Sensitivity， AFS）。測量方法和前面描述類似，不同點是在所有攪模器移動的過程中測量平均誤碼率。由測試得知，AFS和TIS之間有一個固定差值，也就是TIS可以由AFS來推導出。選擇適當?shù)臏y量方法，AFS可以在大約5分鐘內(nèi)測試得到。

分集增益

分集技術是基于多個處于不同衰落點的天線集的接收信號總和的應用。通過選擇不同信號的組合，即使在最差的1%衰落環(huán)境下，天線的分集增益也可以提升10 dB。傳統(tǒng)方法可以通過路測得出分集增益的數(shù)值。不過問題就是當開發(fā)人員進行天線的最優(yōu)化配置的時候，路測衰落環(huán)境卻是在不斷變化的，這使得開發(fā)工程師永遠無法獲知路測的結果是由于環(huán)境變化還更改天線集的配置所引起的。當然我們也可以通過吸波暗室測量天線的分集增益，測量天線集中每個天線的增益，測量完成后利用軟件加入各種衰落模型用于估算分集增益。不過這種方法需要很長的時間，少則數(shù)小時，多則數(shù)十小時。

所以我們提出一個有效的方案，使用可以重現(xiàn)瑞利衰落的混響暗室。我們將天線集如前所訴放入暗室，使用多端口VNA測量天線集內(nèi)的各個天線端的信號振幅和相位以及三個單極子天線的散射參數(shù)S1j。對于雙天線分集系統(tǒng)S12和S13可同時測量得到。每一個天線對應于特定的衰落點，分別顯示特定的發(fā)生概率，我們稱這樣的概率為累計分布概率（Cumulative Distribution Probability， CDP）。通過每個時間點測量到的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CDP和組合CDP的差值就分集增益。

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

MIMO 系統(tǒng)容量

在未來的移動通信系統(tǒng)中，建議在基站和終端都使用天線陣以形成多個獨立的通信通道（例如MIMO系統(tǒng)）。例如，3根和6根天線分別在系統(tǒng)的發(fā)信和收信端，對應于形成3X6=18個可能的通道。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算得出。作為舉例，我們采用一個3x6的MIMO系統(tǒng)。暗室中包括3個理論上不會耦合的單極子天線和安裝在圓形底盤上的6相距較近個單極子天線，天線間有固定的相等距離（待測MIMO陣列）。3個固定在暗室壁上互相垂直的單極子天線距離足夠遠，所以耦合非常小。在另一端的MIMO陣列中6個距離非常近的單極子天線互相影響明顯，它們之間的距離決定了互相耦合度。

當測量暗室中的MIMO 陣列時，通過暗室壁上的3個單極子天線（在這個例子中）。我們可以定義3 x 6=18個通道。我們可以通過歸一化的S21參數(shù)得出的通道矩陣H3X6-MIMO 推算出混合通道容量。此時的瞬間MIMO系統(tǒng)的容量推導公式為

香農(nóng)定律（Shannons）

其中H= H3X6-MIMO