微波混响暗室的应用设计

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，K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。K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。