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)。這不僅帶動各種移動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(shí)具備體積小、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。

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(kuò)展到數(shù)碼相機(jī)，PMP, MP4, RFID等等。

移動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(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)行大量測量工作。若研發(fā)人員能采用較快的測量方案來驗(yàn)證產(chǎn)品性能，就有可以使新產(chǎn)品更快于競爭對手推出，從而增強(qiáng)競爭力。

吸波暗室(Anechoic Chamber)是在二次大戰(zhàn)期間為測量雷達(dá)天線而開發(fā)的，其適用于測量大型天線，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(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(jià)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(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：提供對具有多天線系統(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(jìn)行多次路測，然而該方法既復(fù)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(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)，將會產(chǎn)生一定數(shù)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(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(biāo)準(zhǔn)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(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(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(jì)算作更詳細(xì)的講解。

為了提升量測技術(shù)，K針對不同環(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)高度和深度移動可以獲得大量數(shù)目的獨(dú)立場分布。K透過平臺攪動，讓待測物在腔體內(nèi)進(jìn)行圓周移動，以測到更多的獨(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，測量全部天線上的信號功率，可將測得的獨(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)一步提高測量精度。