微波混響暗室的應用設計

一般來(lái)說(shuō)微波混響室的尺寸越大，測量精度就越高。因此從850MHz開(kāi)始可使用標準微波混響室、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，將可證明待測物各向同性的入射狀況，也就是能測得天線(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)及總全向靈敏度(TIS)的測量。

在此時(shí)觀(guān)察待測物和單極子天線(xiàn)的S12值，會(huì )發(fā)現呈瑞利分布。當有大量互相干擾的獨立平面波時(shí)，我觀(guān)察到的統計分布和市內或都市中心與道德統計衰落分布非常相似。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)際測試的應用。首先需要對一個(gè)已知輻射效率的天線(xiàn)進(jìn)行參考測量。這個(gè)測試過(guò)程和在吸波暗室中使用標準增益喇叭天線(xiàn)類(lèi)似。通過(guò)對已知輻射效率的天線(xiàn)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(xiàn)效率

參考天線(xiàn)在暗室內的位置至少離腔壁或攪模板0.5倍波長(cháng)，離人頭模型類(lèi)的吸波材料0.7倍的波長(cháng)。使用VNA在連續攪模的狀態(tài)下測量由三個(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分鐘就可以測到小于0.5dB標準差的功率值。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，標記為Pref 。在完成參考測量后就可以測量未知天線(xiàn)的效率，過(guò)程和前面所述類(lèi)似。將被測天線(xiàn)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(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。

在混響暗室中測量移動(dòng)終端的總輻射功率，需要將待測物安放在轉臺上，至少離腔壁或攪模板0.5倍波長(cháng), 離吸波材料0.7倍的波長(cháng)，將基站模擬器（綜測儀）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。然后測量移動(dòng)終端和單極子天線(xiàn)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(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(guò)天線(xiàn)到達移動(dòng)終端接收機的功率在全方向上的積分。這個(gè)值會(huì )受到接收機靈敏度，接收機和天線(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。

在混響暗室中測量移動(dòng)終端的全向靈敏度，準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發(fā)送比特數據流給移動(dòng)終端，并要求移動(dòng)終端以最大功率回傳數據流，然后基站模擬器對數據流進(jìn)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(huì )進(jìn)一步降低輸出功率，直到誤碼率達到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。然后對每個(gè)攪模器的位置進(jìn)行重復測量，并平均所有數值就可以算出TIS值。一般來(lái)說(shuō)TIS測量應該在沒(méi)有衰落的環(huán)境中進(jìn)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(jìn)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(guò)這樣的話(huà)在混響暗室測量TIS也需要很長(cháng)的時(shí)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(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)程中測量平均誤碼率。由測試得知，AFS和TIS之間有一個(gè)固定差值，也就是TIS可以由AFS來(lái)推導出。選擇適當的測量方法，AFS可以在大約5分鐘內測試得到。

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)集的接收信號總和的應用。通過(guò)選擇不同信號的組合，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。傳統方法可以通過(guò)路測得出分集增益的數值。不過(guò)問(wèn)題就是當開(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)工程師永遠無(wú)法獲知路測的結果是由于環(huán)境變化還更改天線(xiàn)集的配置所引起的。當然我們也可以通過(guò)吸波暗室測量天線(xiàn)的分集增益，測量天線(xiàn)集中每個(gè)天線(xiàn)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(guò)這種方法需要很長(cháng)的時(shí)間，少則數小時(shí)，多則數十小時(shí)。

所以我們提出一個(gè)有效的方案，使用可以重現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測量天線(xiàn)集內的各個(gè)天線(xiàn)端的信號振幅和相位以及三個(gè)單極子天線(xiàn)的散射參數S1j。對于雙天線(xiàn)分集系統S12和S13可同r測量得到。每一個(gè)天線(xiàn)對應于特定的衰落點(diǎn)，分別顯示特定的發(fā)生概率，我們稱(chēng)這樣的概率為累計分布概率(Cumulative Distribution Probability, CDP)。通過(guò)每個(gè)時(shí)間點(diǎn)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(gè)CDP和組合CDP的差值就分集增益。

當然分集天線(xiàn)集最重要的參數是和理想天線(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)。對于耦合很強的天線(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(zhù)看上去很好的分集增益，還不如單一天線(xiàn)。

MIMO 系統容量

在未來(lái)的移動(dòng)通信系統中，建議在基站和終端都使用天線(xiàn)陣以形成多個(gè)獨立的通信通道（例如MIMO系統）。例如，3根和6根天線(xiàn)分別在系統的發(fā)信和收信端，對應于形成3X6=18個(gè)可能的通道。然后數據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。