微波混響暗室的應(yīng)用設(shè)計(jì)

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)于具有多天線的無線終端產(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。無線終端的定義也從移動(dòng)電話，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設(shè)計(jì)難以通過軟件模擬，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。

小型天線和大型天線的一個(gè)主要不同處，在于它的性能很難通過傳統(tǒng)的天線設(shè)計(jì)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(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。

小型天線最重要的參數(shù)是天線效率(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，或者說功放輸出的功率有多少能到達(dá)接收機(jī)。通過優(yōu)化小天線設(shè)計(jì)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(duì)于小型天線來說，很難用傳統(tǒng)軟件模擬這類測(cè)試。這另外也由于大多數(shù)小型天線必須在多個(gè)信道、甚至多個(gè)頻段都具有較高的效率，因此在無線產(chǎn)品的開發(fā)及驗(yàn)證過程中，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)天線而開發(fā)的，其適用于測(cè)量大型天線，包括雷達(dá)天線、微波天線、衛(wèi)星天線等。這類大型天線的共同點(diǎn)在于它們都是使用在較少干擾或反射的環(huán)境中，我們一般稱作視距范圍(Line-of-sight, LOS)。在當(dāng)時(shí)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(jìn)行測(cè)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(cè)量小型天線、或安裝有小型天線的移動(dòng)終端的天線效率、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(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)開始研究多天線的移動(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(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)量天線的方法是在吸波暗室中進(jìn)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(duì)于應(yīng)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(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) 來模擬無線終端在真實(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)量方案已在無線通訊業(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)行小型多天線系統(tǒng)的特性測(cè)量。

事實(shí)上早在30多年前，就有開始應(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，也有人稱這為「諧振腔」。當(dāng)腔體被一個(gè)或數(shù)個(gè)天線在適當(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(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，接下來介紹微波混響暗室的工作原理。

一般來說在運(yùn)用微波混響室時(shí)，將被測(cè)量的天線或無線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間的傳輸系數(shù)S12。以下將對(duì)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(jì)算作更詳細(xì)的講解。

為了提升量測(cè)技術(shù)，K針對(duì)不同環(huán)境進(jìn)行應(yīng)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(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)。

圖2　標(biāo)準(zhǔn)的微波混響暗室示意圖

VNA的一個(gè)端口通過射頻開關(guān)和互相垂直的3個(gè)單極子天線連接，另一個(gè)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(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。K透過平臺(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，測(cè)量全部天線上的信號(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。