小型天线超快速性能测量-微波混响室

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日益重要的小型天线[/COLOR]
        具有小型天线的无线通讯产品市场正在飞速成长。虽然受到全球金融危机的影响，但是随着3G、Wimax、上网本以及WiFi Phone的发展，2009年预估的世界手机销售量将超越十亿（Gartner）。为了提供更多的无线功能于移动式产品（GMS、WCDMA、HSDPA、HSUPA、Bluetooth、WLAN），每台移动式产品都同时使用很多的小型天线。更多的移动式产品更开始增加GPS、DVB-H、CMMB等等功能。使用无线通讯的产品范畴亦由移动电话、无线局域网络由器、手提电脑领域扩展到诸如手机电视、数字相机、无线电视游戏机、GPS导航器、RFID标签等等。

        小型天线相较于大型天线的不同之一在于它们的性能很难用仿真软件精确仿真。其原因在于大型天线通常用在周围不存在影响其功能的障碍物的空旷环境。与之相反，小型天线通常放置于包含吸收性材料、隔离材质或以不同方式影响天线性能的其它材料的壳体内。在移动电话中还常常设置有数个互为影响的不同天线。

        小型天线最重要的参数是它的天线效率（Antenna efficiency）。它表明有多少发射功率实际辐射到空间，或者说输向天线的辐射有多少能到达接收机。通过优化来尽可能提高天线效率，就可能直接影响许多重要参数，比如覆盖范围、电池寿命、以及上行和下行连接的位错误率（Bit error rate）。对于小型天线很难用仿真软件进行这种类型的最佳化模拟。

        由于大多数小型天线必须在多个频道、甚至数个频段具有较高的效率比现，因而在无线产品的开发及验证期间就需要进行大量测量工作，所以当公司能运用较快的量测方法来验证产品的性能，那公司就能使其新产品更快于其它公司推向市场，从而增强公司的竞争力。

        测量天线的传统方法是在微波暗室（Anechoic Chamber）中进行，亦即没有任何反射，这对通常用于视线环境（Line-Of-Sight, LOS）的大型天线十分适合。但对用于室内或都市这类存在有大量反射环境的小型天线性能量测确是又慢又不合适。反而在具有多重反射的环境，更符合于无线产品于实际环境的使用，微波混响室（Reverberation Chamber）就是使用瑞利衰落理论（Rayleigh Fading）来仿真无线产品于实际环境的情形。而微波混响室可以做得远小于微波暗室，而其测量速度确可以远快于微波暗室。

        这种新技术之所以吸引越来越多兴趣的另一个极大优点在于它提供了对具有多天线的产品的分集增益（Diversity Gain）和MIMO（Multiple Input Multiple Output，多发多收）通讯容量（Capacity）进行直接测量的可能性。作为其替代方案的“驱车”测量法则非常复杂，而又极不可靠。您不可能精确的循同一环境路线驱车多次。目前这一技术已经在工作于开发新型移动宽带广播终端的群体，比如 HSDPA、 WiMAX、LTE（Long Term Evolution, 长程进化）领域的群体中引起了极大兴趣，很多人希望能使用微波混响室进行多小型天线系统的特性测量。

什么是微波混响室[/COLOR]
        早在30多年前就开始应用微波混响室、或称搅模室（Mode-Stirred Chamber）、来进行电气设备的电磁兼容测量（EMC, Electro Magnetic Compatability），用以确定电气设备的辐射量，以免干扰其它电气设备。微波混响室通常是一个具有某种搅模机构的，具有不同三维尺度的金属盒子或曰腔体。当它被小室中的一个、或数个天线在适当频率激发时，其中将会产生一定数量的驻波模式。
         通过将被测物放入腔体中我们可以确保它所产生的全部辐射都保留在腔体内，通过使用可动金属板、通常为旋转浆叶的形态、我们可以改变腔体内之驻波模式的边界条件，就可以保证无论辐射向哪个方向发射、都可以检测到辐射功率。

        用于EMC测量的微波混响室的测量精度通常不超过3dB的标准差（STD, Standard Deviation）。这一精度对EMC测量是足够了，但对于测量天线的效率、辐射功率或接收灵敏度而言、这一量测不确定度是太高了。

由新观念催生的衍生公司“ Bluetest ”[/COLOR]
        在 1990年代末期，在 Chalmer理工学院（Chalmer University of Technology）天线小组工作的 Per-Simon Kildal教授开始思考如何提高微波混响室的精度和速度，以便能够用它来测量小型天线、或具有小型天线的无线终端的天线效率、辐射功率、及其接收灵敏度。其出发点在于认识到传统的在微波暗室中测量天线的方法对于小型天线、或具有小型天线的无线终端、例如移动电话的测量完全不适用，因为这些设备通常用在多反射的环境中，例如室内或都市环境。

        与此同时、某些公司已经开始对具有多天线的终端设备产生兴趣，亦即分集系统、或多入多出终端（Diversity or MIMO Terminals）。这类设备有可能增加移动宽带系统的频谱效率和数据传输率。在无反射的环境，如微波暗室中，分集或多入多出系统不可能起作用。但在微波混响室中确能很容易、快速的测量出它们的分集增益，或MIMO容量（Capacity）。

        此外、微波混响室的尺寸远小于微波暗室，价格也更低廉。

        微波暗室是在二次大战期间为测量雷达天线而发展起来的。这一方法沿袭下来，适于测量大型天线，除雷达天线外，亦可测微波通讯天线、卫星天线等等。这类天线的共同点在于它们都是用在很少干扰或反射的环境中，亦即视线条件下（LOS, Line-Of-Sight）。基于传统和需求，在没有替代方法的情况下，开发小型天线的群体亦使用微波暗室进行测量。

        而Bluetest AB 公司创立的愿景，就是希望能够为小型天线设计者、以及应用小型天线的无线产品生产者，提供一套可摆放在设计部门内的极小测量系统。

Bluetest AB [/COLOR]
        Bluetest AB与Chalmers的教授们已经紧密合作多年，逐渐开发及改进了微波混响室技术。目前 Bluetest已经开发出三个产品系列。小型标准微波混响室适合天线效率及辐射功率测量，具有极高隔离度（100dB）的高性能微波混响室适于测量接收灵敏度（TIS／AFS），特约设计的搅模器可以配装到任何尺寸的现有微波隔离室内、从而将其转变为微波混响室。

        Bluetest的客户群分布在亚洲、欧洲、北美和南美洲，包括移动电话开发商／制造商、移动通讯营运商、小型天线开发的厂商及大学。其中包括五大移动电话制造公司。高性能微波混响室在2006年开发完成，可在5~10分钟内完成单一频道接收灵敏度的量测，而同样的量测如在微波暗室中进行，得花费更长更久的时间。它可以在仅仅一分钟的时间内完成天线效率、总辐射功率、分集增益、MIMO移动电话等。
快速的测量时间引起业界极大兴趣。

Bluetest的微波混响室是如何工作的?[/COLOR]
        将被测量的天线或无线终端、比如移动电话、放在微波混响室内的转台上。待测设备（待测物）的位置选择非常容易，只要保证它距离微波混响室任意壁面至少1／2波长的距离即可。下一步是测量待测物与三个相互正交的壁单极子天线之间的传输功率，或复传输系数S12。以下将对天线效率、辐射功率、接收灵敏度、以及分集增益和MIMO的计算作更详细的讲解。

        Bluetest微波混响室与传统EMC微波混响室的主要区别在于针对同样尺寸大小的腔体前者能产生更多的独立取样数。为此Bluetest微波混响室使用了多个相互独立的搅模技术。

        这些搅模技术包括：（1）由2个正交金属片构成的机械搅模器，通过将金属片缘腔体的整个高度和深度移动可以获得大量数目的独立场分布。（2）平台搅动，与待测物位置固定的状况比较，通过让待测物在腔体内作圆周移动可以测到更多的独立取样。（3）极化搅模，通过使用三个固定的、相互正交的单极子天线，并测量全部三个天线上的信号功率，我们将测得的独立取样数增加了三倍。（4）频率搅模，通过在频率上进行平均能进一步提高测量精度，但会降低频率分辨度。

        一般来说与波长相比微波混响室的尺寸越大，测量精度就越高。Bluetest推荐从850MHz开始使用标准微波混响室，从700MHz开始使用高性能微波混响室。为了从400MHz开始测量，我们需要大约为2.0mX2.5mX3.0m的微波混响室。

        如果您能获得足够大量的独立模数，可以证明待测物将感受到各方向同性的入射状况，换句话说、您能测得天线或移动电话在所有方向上的性能。这一特点被用于天线效率、总辐射功率（TRP）、及总全向灵敏度（TIS）的测量。

        如果您观察在待测物与壁单极子天线之间的功率，它们呈现Rayleigh分布。或曰当有大量彼此相互干扰的独立平面波时您所能获得的统计分布。这种统计衰落与人们在室内或都市中心常会遇到的统计衰落非常类似。我们可以利用这一特点进行快速接收灵敏度测量，亦可用来估计分集增益与MIMO容量。

实际测量[/COLOR]
参考测量
        首先我们需要用一个已知辐射效率的天线执行参考测量。该天线的辐射效率可通过计算、或执行其它暗室测量来获得。这个测量程序与在微波暗室使用标准增益喇叭天线类似。通过首先测量参考天线，我们可以获得对微波混响室总损耗的估计。因而必需要求在参考测量与天线效率及辐射功率等测量间不要移出或移入任何可以影响损耗的对象。参考天线在腔体内的位置应至少离腔壁或搅模板0.5倍波长，离诸如人脑模型一类的吸波材料0.7倍波长的距离。测量使用一台网络分析仪。在连续搅模状态下测量由三个固定天线中每个到参考天线的平均接收功率。在高性能微波混响室中只须耗费一分钟就可将此值测到小于0.5dB的标准差。由于我们知道参考天线的效率、以及由参考测量获得的接收功率，我们可以将接收功率归一化到假定参考天线具有100%效率时的接收功率，我们称其为功率Pref。

天线效率
        一旦完成参考测量，就可以测量未知效率天线的效率。整个过程与前面类似，我们将目前使用被测天线（Antenna Under Test,AUT）测得的功率记作PAUT。这样就可以使用下式计算未知天线的天线效率：
erad=PAUT/Pref

        在高性能微波混响室中执行这一测量只需要一分钟。

总辐射功率（TRP）[/COLOR]
        总辐射功率（TRP）是由诸如移动电话向各方向发射的功率的全积分。这一功率会受到放大器输出功率、放大器与天线间的失配、天线效率、以及在天线附近会对其损耗作出贡献的物体，例如移动电话壳体、手、头等的影响。

        在Bluetest微波混响室中测量例如移动电话这类待测物的总辐射功率，需要将被测物置于转台上，其位置应至少离腔壁0.5倍波长，离吸波材料0.7倍波长的距离。将一个基站仿真器连到三个固定天线。现在可以在基站仿真器与移动电话之间建立通讯联络。在测量移动电话时通常需要使用特殊的SIM卡，一旦呼叫成功，基站仿真器将命令移动电话输出最大功率。其后测量移动电话与固定天线之间的功率。由基站仿真器测量它所接收到的功率。从参考测量我们已经知道微波混响室的损耗有多大，因而就很容易计算总辐射功率。与测量天线效率的情况类似，在高性能微波混响室中执行这一测量并达到小于0.5dB的标准差的结果只需要一分钟。

全向灵敏度（TIS）[/COLOR]
        总各向同性灵敏度（TIS）是通过天线到达接收机的功率在所有方向上的积分。这一灵敏度将受到接收机灵敏度、接收机与天线间的失配、天线效率、以及在天线附近会对其损耗作出贡献的物体，例如移动电话壳体、手、头等的影响。

        在Bluetest微波混响室中测量总各向同性灵敏度，被测设备需要用与前面描述类似的方法放置。一旦呼叫成功，基站仿真器将按给定低功率发送比特流给移动电话，并命令移动电话在接收完全部数据、并确定没有进一步的比特误差出现在上行连接后、以最大功率回传同样数据。基站仿真器将接收到的回传比特流与原始数据加以比较，如果比特误码率低于2.4%（以GSM电话为例），则由基站仿真器送出的功率将按步级继续降低，直到找到与2.4%比特误码率相对应的发射功率为止。这一功率减去微波混响室的损耗既是在比特误码率为2.4%时的接收功率。对每个搅模器位置重复这一测试，通过对所有测量进行平均就可能求得TIS值。

        按照定义TIS的测量应当在没有衰落、或曰静态环境中进行。这可能是由于习惯上是使用微波暗室进行测量的缘故。在Bluetest微波混响室内亦可能进行静态测量，只要当所有搅模机构都在固定位置时测量误码率即可。这样做会使得在微波混响室内测量TIS也需要很长时间。

        微波混响室亦提供了在连续衰落的环境下测量接收机灵敏度的可能性。这在一定程度上与实用情况类似。这种情况称作 AFS（ Average Fading Sensitivity），即平均衰落灵敏度。这项测量与前面描述的测量方法类似，其不同点在于是当全部搅模机构都在移动时，测量基站仿真器输出给定功率时的平均误码率。即是说接收机体验到由基站仿真器决定的某个衰落平均值下的Rayleigh衰落环境。经由Bluetest进行的若干测试表明、在AFS与TIS之间有一个固定差值，就是说TIS可以由AFS来估算。AFS可以在大约5分钟内测出，这对测量接收机灵敏度所需的时间方面来说、是一个很大的改进。如果您只想要测量某个天线配置下的相对接收灵敏度，只需要一分钟就可以得到结果。

分集增益（Diversity Gain）[/COLOR]
        分集技术是基于多支处于不同衰落的天线，其接收总和的应用。藉由选用不同信号的组合，即使在最差的1%衰落，天线的分集增益依然可以提升到10dB。藉由车辆移动测试，可以测量得出分集增益，也就是说，以驾车或步行方式，仿真多天线配置的装置经过衰落环境。问题是，当你想得到天线最佳化的配置时，环境的衰落却不断的变化，使得你永远无法得知：您所得到的测试结果，是因为环境的变化或是天线配置的改变所导致。

        另外，也可以藉由在电波暗室的量测得到天线的分集增益：个别地测量多天线组中的每一支天线增益，量测完成后，利用软件加入各种衰落类型，得以估算分集增益。这将会耗费较长的时间，需以小时计。

        一个有效的替代方案是使用可重现Rayleigh衰落的微波混响室，将天线组如前所述的方法置入混响室。如果可以，使用多端口的网络分析仪量测天线组内各天线端的振幅与相位，以及混响室内三个固定天线的散射参数S1j；对于具有两支天线的分集系统，S12与S13可同时量测得到。每一个别的天线将对低于特定的衰落准位分别显示特定的发生机率，称为累计分布函数（the Cumulative Distribution Probability;CDP）。藉由每个时间点所量到的S12与S13，的最佳值形成的累积分布函数就是所谓的“选用组合”，取用S12或S13之间任何一个的CDP与选用组合CDF的差值。可估算“表象”分集增益，也就是，在最严重的衰落现象（通常选取最佳天线的1%机率的准位）所能增加的增益。然而，最重要的参数是与理想天线相比，所能增加增益，也就是说，与具有100%效率的天线的 CDP，与选择组合的CDP相比，所能增加的增益。这就是“有效”分集增益（“effective ”diversity gain）。如果与具有损耗的实际天线的CDP相比，则称为“实际”分集增益（ “actural”diversity gain）。

        对于具有互耦性强的天线配置－例如非常接近的偶极天线－天线效率将变得非常低，这意味着看起来似乎是非常好的分集增益（也就是“表象”分集增益），实际上，用来比较单一天线特性已经不同。

        在图中，我们可以看到，两支900MHz的偶极天线间，相距11mm时，在1%的机率准位，“有效”分集增益只有1.5dB。与仅用一支天线相比，在大部分的时间（在这一例子中，超过90%的时间内），实际上将损失信号强度。在使用偶极天线时，“有效”分集增益与“实际”分集增益非常相近，因为典型二极振子天线的效率大约为95%。

        在高性能微波混响室中、执行图3的测量仅仅花费了一分钟。除“有效”分集增益和“视在”分集增益，我们同时获得了每个天线的辐射效率，以及天线间的相关性。

多发多收天线（MIMO Antenna） [/COLOR]
        MIMO（Multiple Input Multiple Output; 多入多出）是一项新技术，它在发射端及接收端均使用多天线，如此，可以增加传输率（throughput），供未来无线通讯系统所使用。为了增加传输率，多天线系统的必要条件是：这些天线彼此间的相关性越低越好，无线通讯必定在具有衰落的环境中进行，所以存在着许多不相关的传输路径，衰落路径越多越好。再者，天线应用最重要的参数为辐射效率，由前面分集增益的案例得知，当天线靠得越近时，辐射效率会降低。在混响室中，可测量MIMO天线与三个固定天线间、在近似 Rayleigh衰落环境中传输通道的变化状况，亦即通道矩阵H。得知此一矩阵，就可以使用Shannons容量公式计算通讯信道的容量（the throughput capacity）：

        在高性能混响室中使用多通道网络分析仪，这类测量可以在仅仅一分钟时间内完成。

        微波混响室同时提供了可重复、及可控制的环境下进行全新类型的MIMO测量的可能性。例如对具有无线网络桥接器及笔记型计算机的完整系统进行测量。这样就可以在复杂的散射环境中，针对最佳传输速率、对桥接器及笔记型计算机的天线系统配置，快速的进行最佳化。

多发多收天线（MIMO Antenna） [/COLOR]
        MIMO（Multiple Input Multiple Output; 多入多出）是一项新技术，它在发射端及接收端均使用多天线，如此，可以增加传输率（throughput），供未来无线通讯系统所使用。为了增加传输率，多天线系统的必要条件是：这些天线彼此间的相关性越低越好，无线通讯必定在具有衰落的环境中进行，所以存在着许多不相关的传输路径，衰落路径越多越好。再者，天线应用最重要的参数为辐射效率，由前面分集增益的案例得知，当天线靠得越近时，辐射效率会降低。在混响室中，可测量MIMO天线与三个固定天线间、在近似 Rayleigh衰落环境中传输通道的变化状况，亦即通道矩阵H。得知此一矩阵，就可以使用Shannons容量公式计算通讯信道的容量（the throughput capacity）：

        在高性能混响室中使用多通道网络分析仪，这类测量可以在仅仅一分钟时间内完成。

        微波混响室同时提供了可重复、及可控制的环境下进行全新类型的MIMO测量的可能性。例如对具有无线网络桥接器及笔记型计算机的完整系统进行测量。这样就可以在复杂的散射环境中，针对最佳传输速率、对桥接器及笔记型计算机的天线系统配置，快速的进行最佳化。

微波混响室的优缺点[/COLOR]

        因为在微波混响室的摆设非常容易，所以与传统的电波暗室测试方式相比，它的优点之一是：您可以很快地开始测量；测量过程也非常快速：天线效率、辐射总功率、分集增益和MIMO的测量仅需1分钟，在特定位错误率的接收灵敏度测量也仅需5-10分钟。其次，测试具高精准度、与电波暗室比较：体积较小且价格较低。

        微波混响室的缺点之一是：无法测得天线场型。但是，在设计小型天线时，天线场型通常并不重要，因为小型天线的场强是全方向辐射、指向性较低的特性。即便是低指向性的特性，天线的配置方向—至少对手机等—取决于使用者手持方向或天线配置在手机的位置。最重要的参数是天线的辐射效率，在电波暗室里测量它需要较长时间，但是在微波混响室里测量则快速且容易。

（嘉兆科技  姜栋军）
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