微波混響暗室的應用設計

目前支持多標準的移動(dòng)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。這不僅帶動(dòng)各種移動(dòng)終端板載小型天線(xiàn)的發(fā)展，并且引導了相應的精準量測解決方案的開(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量分集增益與MIMO系統容量，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)增加全球衛星定位系統(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，筆記本電腦擴展到數碼相機，PMP, MP4, RFID等等。

移動(dòng)終端采用的小型天線(xiàn)設計難以通過(guò)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(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)傳統的天線(xiàn)設計軟件精確模擬。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。并且由于多標準終端的發(fā)展，一個(gè)終端內通常安裝有數個(gè)可能互相干擾的天線(xiàn)。

小型天線(xiàn)最重要的參數是天線(xiàn)效率(Antenna Efficiency)。這個(gè)參數表明有多少發(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接收機。通過(guò)優(yōu)化小天線(xiàn)設計來(lái)盡可能提高天線(xiàn)效率，就可能直接影響系統的許多重要參數，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(xiàn)來(lái)說(shuō)，很難用傳統軟件模擬這類(lèi)測試。這另外也由于大多數小型天線(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)及驗證過(guò)程中，就須要進(jìn)行大量測量工作。若研發(fā)人員能采用較快的測量方案來(lái)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)是在二次大戰期間為測量雷達天線(xiàn)而開(kāi)發(fā)的，其適用于測量大型天線(xiàn)，包括雷達天線(xiàn)、微波天線(xiàn)、衛星天線(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。如當時(shí)在Chalmer理工學(xué)院天線(xiàn)小組工作的Per-Simon Kildal就發(fā)現由于小型天線(xiàn)或安裝有小型天線(xiàn)的移動(dòng)終端(如手機)通常在室內或都市等多反射的環(huán)境中使用，因此傳統吸波暗室測量天線(xiàn)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(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)系統的頻譜效率和數據吞吐率。在無(wú)反射的環(huán)境，如吸波暗室中，分集或MIMO系統無(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)格也更有競爭力。

傳統測量天線(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)；但對于應用于室內或都市這類(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)境的測試系統，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(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：提供對具有多天線(xiàn)系統的分集增益(Diversity Gain)和MIMO容量進(jìn)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(xiàn)進(jìn)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(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)系統的特性測量。

事實(shí)上早在30多年前，就有開(kāi)始應用微波混響暗室進(jìn)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(gè)具有某種攪模結構、與不同三維尺寸的金屬盒，也有人稱(chēng)這為「諧振腔」。當腔體被一個(gè)或數個(gè)天線(xiàn)在適當頻率激發(fā)時(shí)，將會(huì )產(chǎn)生一定數量的駐波模式。這時(shí)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，再移動(dòng)金屬板來(lái)改變腔體內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(guò)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(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)在運用微波混響室時(shí)，將被測量的天線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)終端放在混響暗室內的轉臺上。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(cháng)的距離即可。第二步是測量待測物與三個(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S12。以下將對天線(xiàn)效率、輻射功率、接收靈敏度、以及分集增益和MIMO容量的計算作更詳細的講解。

為了提升量測技術(shù)，K針對不同環(huán)境進(jìn)行應用，Bluetest開(kāi)發(fā)出與傳統EMC混響暗室不同的高性能微波混響室。其主要區別是，后者針對同樣尺寸大小的腔體，能產(chǎn)生更多獨立取樣數，而其關(guān)鍵技術(shù)在于采用了多個(gè)相互獨立的攪模技術(shù)。

圖2　標準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)端口和混響暗室內的偶極子天線(xiàn)連接，偶極子天線(xiàn)安放在轉臺上。相應的攪模技術(shù)細節包括：由兩個(gè)正交金屬片構成的機械攪模器，通過(guò)沿著(zhù)腔體的整個(gè)高度和深度移動(dòng)可以獲得大量數目的獨立場(chǎng)分布。K透過(guò)平臺攪動(dòng)，讓待測物在腔體內進(jìn)行圓周移動(dòng)，以測到更多的獨立取樣點(diǎn)。再使用三個(gè)固定的相互正交的單極子天線(xiàn)，測量全部天線(xiàn)上的信號功率，可將測得的獨立取樣數增加到3倍。最后，在頻率上進(jìn)行平均頻率攪模，將能進(jìn)一步提高測量精度。