微波混响暗室的最新应用
微波射频网 2022-11-24
目前支持多标准的移动终端正在大量发展,并且主要应用又集中在多干扰的都市地区。这不仅带动各种移动终端板载小型天线的发展,并且引导了相应的精准量测解决方案的开发,如微波混响暗室就是一个典型的案例,尤其对于具有多天线的无线终端产品,微波混响暗室可直接测量分集增益与MIMO系统容量,同时具备体积小、价格低等优点。
此外目前更多的移动终端已经增加全球卫星定位系统(GPS),移动电视(如DVB-H)等功能。无线终端的定义也从移动电话,WiFi路由器,笔记本电脑扩展到数码相机,PMP, MP4, RFID等等。
移动终端采用的小型天线设计难以通过软件模拟,所以需要认真选择测量的方式以增加研发和生产的效率。
小型天线和大型天线的一个主要不同处,在于它的性能很难通过传统的天线设计软件精确模拟。原因就是大型天线通常安装在周围基本没有阻碍物的空旷环境;而板载小型天线通常安装在影响天线性能的外壳内。并且由于多标准终端的发展,一个终端内通常安装有数个可能互相干扰的天线。
小型天线最重要的参数是天线效率(Antenna Efficiency)。这个参数表明有多少发射功率实际辐射到空间,或者说功放输出的功率有多少能到达接收机。通过优化小天线设计来尽可能提高天线效率,就可能直接影响系统的许多重要参数,如覆盖范围、电池寿命及上行和下行链路的误码率(Bit Error Rate, BER)。对于小型天线来说,很难用传统软件模拟这类测试。这另外也由于大多数小型天线必须在多个信道、甚至多个频段都具有较高的效率,因此在无线产品的开发及验证过程中,就须要进行大量测量工作。若研发人员能采用较快的测量方案来验证产品性能,就有可以使新产品更快于竞争对手推出,从而增强竞争力。
吸波暗室(Anechoic Chamber)是在二次大战期间为测量雷达天线而开发的,其适用于测量大型天线,包括雷达天线、微波天线、卫星天线等。这类大型天线的共同点在于它们都是使用在较少干扰或反射的环境中,我们一般称作视距范围(Line-of-sight, LOS)。在当时没有替代方法的情况下,小型天线的开发也使用吸波暗室进行测量。
不过在90年代末期,有工程师提出了通过提高微波混响室的精度和速度,使能够用它来测量小型天线、或安装有小型天线的移动终端的天线效率、辐射功率以及接收灵敏度。如当时在Chalmer理工学院天线小组工作的Per-Simon Kildal就发现由于小型天线或安装有小型天线的移动终端(如手机)通常在室内或都市等多反射的环境中使用,因此传统吸波暗室测量天线的方法并不完全适用,图1是Kildal设计微波混响暗室(Reverberation Chamber)的草图。
图1 Per-Simon Kildal的微波混响暗室概念图
同时有些公司已经开始研究多天线的移动终端,即分集(Diversity)系统或多重输入多重输出终端(MIMO Terminal)。这类技术有可能增加移动系统的频谱效率和数据吞吐率。在无反射的环境,如吸波暗室中,分集或MIMO系统无法发挥作用;但在微波混响暗室中却能很容易快速的测量出它们的分集增益或MIMO容量。另外微波混响暗室的尺寸大大小于吸波暗室,因此价格也更有竞争力。
传统测量天线的方法是在吸波暗室中进行,也就是没有任何反射的环境,这通常十分适合用于LOS的大型天线;但对于应用于室内或都市这类存在有大量反射环境的小型天线来说,并不合适。为了模拟反射和多径的环境,我们需要更符合实际环境的测试系统,如微波混响暗室。微波混响暗室使用瑞利衰落理论(Rayleigh Fading) 来模拟无线终端在真实环境下的使用,同时微波混响暗室的尺寸远小于吸波暗室,但测量速度却远快于吸波暗室。
另外这种新技术之所以吸引越来越多的关注,在于它的另一个明显的优势:提供对具有多天线系统的分集增益(Diversity Gain)和MIMO容量进行直接测量的可能性。在此之前我们采用的测量方法一般是依循同一环境路线进行多次路测,然而该方法既复杂又不可靠。
微波混响暗室测量方案已在无线通讯业界引起大量的关注,诸如HSPA、WiMAX、LTE等相关业者都逐渐考虑采用微波混响暗室进行小型多天线系统的特性测量。
事实上早在30多年前,就有开始应用微波混响暗室进行电子设备的电磁兼容测量(EMC),用以确定其辐射强度,以免干扰其他设备。微波混响暗室通常是一个具有某种搅模结构、与不同三维尺寸的金属盒,也有人称这为「谐振腔」。当腔体被一个或数个天线在适当频率激发时,将会产生一定数量的驻波模式。这时将被测物放放腔体中,它所产生的全部辐射都被保留在腔体内,再移动金属板来改变腔体内驻波模式的边界条件,以保证无论在什么方向都可以检测到辐射功率。用于EMC测量的微波混响室,其测量精度通常不超过3dB的标准差。这样的精确度对EMC测量已经足够,但对测量天线的效率、辐射功率或接收灵敏度而言,仍然不够。
了解了吸波暗室与微波混响暗室的应用差异,接下来介绍微波混响暗室的工作原理。
一般来说在运用微波混响室时,将被测量的天线或无线终端放在混响暗室内的转台上。待测设备的位置只要保证它距离混响暗室任一壁面大于二分之一波长的距离即可。第二步是测量待测物与三个相互正交的安装在暗室壁上单极子天线间的传输系数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容量的计算作更详细的讲解。
为了提升量测技术,並针对不同环境进行应用,Bluetest开发出与传统EMC混响暗室不同的高性能微波混响室。其主要区别是,后者针对同样尺寸大小的腔体,能产生更多独立取样数,而其关键技术在于采用了多个相互独立的搅模技术。

图2 标准的微波混响暗室示意图
VNA的一个端口通过射频开关和互相垂直的3个单极子天线连接,另一个端口和混响暗室内的偶极子天线连接,偶极子天线安放在转台上。相应的搅模技术细节包括:由两个正交金属片构成的机械搅模器,通过沿着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。並透过平台搅动,让待测物在腔体内进行圆周移动,以测到更多的独立取样点。再使用三个固定的相互正交的单极子天线,测量全部天线上的信号功率,可将测得的独立取样数增加到3倍。最后,在频率上进行平均频率搅模,将能进一步提高测量精度。
一般来说微波混响室的尺寸越大,测量精度就越高。因此从850MHz开始可使用标准微波混响室、从700MHz开始则使用高性能微波混响室,而从400MHz开始测量,则需要尺寸大约为2.0×2.5×3.0米的混响暗室。如果能获得足够大量的独立模数,将可证明待测物各向同性的入射状况,也就是能测得天线或移动终端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。
在此时观察待测物和单极子天线的S12值,会发现呈瑞利分布。当有大量互相干扰的独立平面波时,我观察到的统计分布和市内或都市中心与道德统计衰落分布非常相似。因此研发人员可以利用这个特点进行快速接收灵敏度测量,或者估算分集增益和MIMO容量。
了解以上的工作原理后,我们讨论一下实际测试的应用。首先需要对一个已知辐射效率的天线进行参考测量。这个测试过程和在吸波暗室中使用标准增益喇叭天线类似。通过对已知辐射效率的天线的测量可以获得混响暗室总损耗的估计。因此必须要求在测试期间不要增加或减少任何可能影响损耗的物品。
天线效率
参考天线在暗室内的位置至少离腔壁或搅模板0.5倍波长,离人头模型类的吸波材料0.7倍的波长。使用VNA在连续搅模的状态下测量由三个单极子天线任意一个到参考天线的平均接受功率。在高性能混响暗室中,只需要1分钟就可以测到小于0.5dB标准差的功率值。由于参考天线的效率为已知,因此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,标记为Pref 在完成参考测量后就可以测量未知天线的效率,过程和前面所述类似。将被测天线测得的功率标记为PAUT。这样就可以使用下面公式计算待测天线的效率
总辐射功率
关于总辐射功率 (TRP),理论上就是移动终端在全方向辐射功率的全积分。这个值会受到功放输出功率,功放和天线间的失配,天线效率以及天线附近的吸波物质等影响。
在混响暗室中测量移动终端的总辐射功率,需要将待测物安放在转台上,至少离腔壁或搅模板0.5倍波长, 离吸波材料0.7倍的波长,将基站模拟器(综测仪)连接到3个单极子天线,这样基站模拟器和移动终端可以建立连接,同时基站模拟器命令移动终端输出最大功率。然后测量移动终端和单极子天线之间的功率。从参考测量我们已经知道了混响暗室的总损耗值,这样就很容易计算总辐射功率。和测量天线效率类似,在高性能混响暗室中,只需要1分钟就可以测到小于0.5dB标准差的功率值。
全向灵敏度
全向灵敏度(TIS) 理论上就是通过天线到达移动终端接收机的功率在全方向上的积分。这个值会受到接收机灵敏度,接收机和天线间的失配,天线效率以及天线附近的吸波物质等影响。
在混响暗室中测量移动终端的全向灵敏度,准备工作和前面所述类似。建立连接后,基站模拟器按照给定的低信号发送比特数据流给移动终端,并要求移动终端以最大功率回传数据流,然后基站模拟器对数据流进行对比。以GSM手机为例,如果误码率小于2.4%,则基站模拟器会进一步降低输出功率,直到误码率达到2.4%。此时的发射功率除去暗室总损耗就是误码率为2.4%时的接收功率。然后对每个搅模器的位置进行重复测量,并平均所有数值就可以算出TIS值。一般来说TIS测量应该在没有衰落的环境中进行,这可能是由于习惯上采用吸波暗室的原因。虽然在混响暗室也可以进行静态测量,只要将所有搅模器固定位置后测试误码率即可,不过这样的话在混响暗室测量TIS也需要很长的时间。
但是混响暗室也提供在衰落环境下测量接收机灵敏度的方案,这样也更加接近真实情况。我们一般称这种情况为平均衰落灵敏度(Average Fading Sensitivity, AFS)。测量方法和前面描述类似,不同点是在所有搅模器移动的过程中测量平均误码率。由测试得知,AFS和TIS之间有一个固定差值,也就是TIS可以由AFS来推导出。选择适当的测量方法,AFS可以在大约5分钟内测试得到。
分集增益
分集技术是基于多个处于不同衰落点的天线集的接收信号总和的应用。通过选择不同信号的组合,即使在最差的1%衰落环境下,天线的分集增益也可以提升10 dB。传统方法可以通过路测得出分集增益的数值。不过问题就是当开发人员进行天线的最优化配置的时候,路测衰落环境却是在不断变化的,这使得开发工程师永远无法获知路测的结果是由于环境变化还更改天线集的配置所引起的。当然我们也可以通过吸波暗室测量天线的分集增益,测量天线集中每个天线的增益,测量完成后利用软件加入各种衰落模型用于估算分集增益。不过这种方法需要很长的时间,少则数小时,多则数十小时。
所以我们提出一个有效的方案,使用可以重现瑞利衰落的混响暗室。我们将天线集如前所诉放入暗室,使用多端口VNA测量天线集内的各个天线端的信号振幅和相位以及三个单极子天线的散射参数S1j。对于双天线分集系统S12和S13可同時测量得到。每一个天线对应于特定的衰落点,分别显示特定的发生概率,我们称这样的概率为累计分布概率(Cumulative Distribution Probability, CDP)。通过每个时间点测量到的S12和S13最佳值形成的CDP就是所谓的选用组合。而之间任意一个CDP和组合CDP的差值就分集增益。
当然分集天线集最重要的参数是和理想天线相比的增益,也就是具有100%效率天线的CDP和选用组合的CDP的比值,我们称之为有效分集增益(Effective Diversity Pain)。如果和有损耗的天线CDP相比,我们称之为实际分集增益(Actual Diversity Gain)。对于耦合很强的天线集,如非常接近的偶极子天线,天线效率会非常低。这意味着看上去很好的分集增益,还不如单一天线。
MIMO 系统容量
在未来的移动通信系统中,建议在基站和终端都使用天线阵以形成多个独立的通信通道(例如MIMO系统)。例如,3根和6根天线分别在系统的发信和收信端,对应于形成3X6=18个可能的通道。然后数据分布传输在这些通道上并在接收端汇合在一起。如此一来所有的通道容量都被最大化。
最大的MIMO系统的可能平均通道容量可有下面公式计算得出。作为举例,我们采用一个3x6的MIMO系统。暗室中包括3个理论上不会耦合的单极子天线和安装在圆形底盘上的6相距较近个单极子天线,天线间有固定的相等距离(待测MIMO阵列)。3个固定在暗室壁上互相垂直的单极子天线距离足够远,所以耦合非常小。在另一端的MIMO阵列中6个距离非常近的单极子天线互相影响明显,它们之间的距离决定了互相耦合度。
当测量暗室中的MIMO 阵列时,通过暗室壁上的3个单极子天线(在这个例子中)。我们可以定义3 x 6=18个通道。我们可以通过归一化的S21参数得出的通道矩阵H3X6-MIMO 推算出混合通道容量。此时的瞬间MIMO系统的容量推导公式为
香农定律(Shannons)

其中H= H3X6-MIMO
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