小型天线相较于大型天线的不同处之一，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障碍物的

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微型天线带来量测新挑战　微波混响室应运而生
2009-10-10 ying0696 点击: 320

微型天线带来量测新挑战　微波混响室应运而生
多天线手持行动装置当红，再加上行动电话的主要应用地区又集中在多干扰的都市地区，不但带动小型天线的发扬，也进而刺激精准量测解决方案的问世，如微波混响室就是一例，其对于具有多天线的产品，可直接测量分集增益与MIMO通讯容量，同时兼具体积小、价格低的优点。

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根据市调单位顾能(Gartner)预估，2009年全球手机销售量将第三度单年超越十亿支，也间接证实具有小型天线的无线通讯产品市场正在飞速成长。而为了提供更多的无线通讯技术如全球行动通讯系统(GSM)、宽带分码多重接取(WCDMA)、高速封包接取(HSPA)、蓝牙(Bluetooth)与无线局域网络(WLAN)于可携式通讯装置上，各种可携式通讯装置势必都须同时使用大量的小型天线。

若再加上更多的可携式通讯装置开始增加全球卫星定位系统(GPS)、行动电视规格如DVB-H等功能，使用无线通讯的装置范畴亦由行动电话、无线局域网络由器、笔记型计算机领域一路扩展到数字相机、可携式多媒体播放器(PMP)、MP3播放器、无线射频辨识系统(RFID)卷标等。

小型天线软件难仿真　慎选量测方式增效率

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小型天线相较于大型天线的不同处之一，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障碍物的空旷环境；反之，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壳体内。尤有甚者，行动电话中还常设置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)。此数据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，如覆盖范围、电池寿命及上行和下行连接的位错误率(Bit Error Rate, BER)。对于小型天线来说，这类仿真很难用软件进行。

也因为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，因此在无线产品的开发及验证期间，就须要进行大量测量工作。若设计人员能运用较快的量测方法来验证产品性能，就有可能进而使其新产品更快于其它公司推向市场，从而增强竞争力。

微波暗室力有未逮

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回溯相关演进，微波暗室(Anechoic Chamber)是在二次大战期间为测量雷达天线而发展，此一方法适于测量大型天线，包括雷达天线、微波通讯天线、卫星天线等皆可量测。这类大型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，亦即可视范围(Line-of-sight, LOS)。基于传统需求，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。

不过，在90年代末期，开始有人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。如当时在Chalmer理工学院天线小组工作的Per-Simon Kildal就发现，由于小型天线或具有小型天线的无线终端(如行动电话)通常用在室内或都市环境等多反射的环境中，因此传统微波暗室测量天线的方法完全不适用。图1是Kildal早期设计微波混响室(Reverberation Chamber)之草图。



图1　Per-Simon Kildal的微波混响室草图


值此同时，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(Diversity)系统或多重输入多重输出终端(MIMO Terminal)。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MIMO系统不可能起作用；但在微波混响室中却能很容易、快速的测量出它们的分集增益或MIMO容量。此外，微波混响室的尺寸远小于微波暗室，因此价格也更低廉。

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测量天线的传统方法是在微波暗室中进行，亦即没有任何反射，这对通常用于可视范围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来说，并不合适。多重反射的环境，更符合无线产品于实际环境的使用，如微波混响室就是一例。

微波混响室抬头

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微波混响室使用瑞利衰落理论(Rayleigh Fading)来仿真无线产品于实际环境的情形，而微波混响室的规模远小于微波暗室，但其测量速度却远快于微波暗室。

这种新技术之所以吸引越来越多业界的兴趣，在于它的另一个优点--提供对具有多天线产品的分集增益(Diversity Gain)和MIMO通讯容量(Capacity)进行直接测量的可能性。原先的测量方法是实际依循同一环境路线驱车多次，以测量讯号好坏；然而该方法既复杂又不可靠，因此目前多以微波混响室为较佳方案。

微波混响室技术已在通讯业界引发不少话题，诸如HSPA、全球微波存取互通接口(WiMAX)、长程演进计划(Long Term Evolution, LTE)相关业者都陆续开始思考采用微波混响室进行小型多天线系统的特性测量。

事实上，早在30多年前，就有业者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)，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、与不同三维尺度的金属盒子，也有人称之为「腔体」。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。

将被测物放入腔体中，可以确保它所产生的全部辐射都保留在腔体内，再透过使用可动金属板(通常为旋转浆叶)，即可改变腔体内驻波模式的边界条件，并保证无论辐射向何方，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(Standard Deviation, STD)。这样的精准度对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，仍有所不足。

都市环境干扰多　微波混响室帮助大

谈完了微波暗室与微波混响室的应用差异，接下来则介绍微波混响室的作业原理。一般来说，在运用微波混响室时，大多会将被测量的天线或无线终端放在微波混响室内转台上。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一壁面至少二分之一波长的距离即可。

第二步则是测量待测物与三个相互正交的壁单极子天线间传输功率或传输系数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。

为了提升量测技术，并针对不同环境进行应用，日前已有业者开发出与传统EMC微波混响室不同之高性能微波混响室。其主要区别在于，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)。





图2　标准微波混响室示意图。网络分析仪一端通过选择开关与互相垂直的三个单极天线相连，另一端与混响室内的二极子天线相连，二极子天线则置于转台支架上。


相关搅模技术细节包括：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。并透过平台搅动，让待测物在腔体内进行圆周移动，以测到更多的独立取样。再使用三个固定、相互正交的单极子天线，测量全部天线上的讯号功率，可将测得的独立取样数增加三倍之谱。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，但同时也会降低频率分辨度。

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。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，至于从400MHz开始测量，则需要大约为2.0公尺×2.5公尺×3.0公尺的微波混响室。

如果能获得足够大量的独立模数，将可证明待测物能感受到各方向同性的入射状况，换句话说，测量人员能测得天线或行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。

在此时观察待测物与壁单极子天线之间的功率，将会发现其呈现瑞利分布。当有大量彼此相互干扰的独立平面波时，所能获得的统计分布，将与人们在室内或都市中心常会遇到的统计衰落非常类似。因此，量测人员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。

实际应用简易　关键影响多

了解技术原理后，接下来则谈谈实际测量应用。首先需要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可以获得对微波混响室总损耗的估计，因而必须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能影响损耗的对象。

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天线效率


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1分钟就可将此值测到小于0.5dB的标准差。由于已知参考天线的效率以及由参考测量获得的接收功率，因此可以将接收功率归化到假定参考天线具有100%效率时的接收功率，并称之为功率Pref。
一旦完成参考测量，就可以测量未知效率天线的效率。其过程与前述类似：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：





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总辐射功率


关于总辐射功率(TRP)，是由诸如行动电话向各方向发射的功率的全积分。此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，例如行动电话机壳、人体等的影响。
在微波混响室中测量例如行动电话这类待测物的总辐射功率，须要将被测物置于转台上，其位置至少应离腔壁0.5倍波长，离吸波材料0.7倍波长的距离。将一个基地台仿真器连到三个固定天线。现在可以在基地台仿真器与行动电话之间建立通讯联络。在测量行动电话时通常须要使用特殊的SIM卡，一旦呼叫成功，基地台仿真器将命令行动电话输出最大功率。其后测量行动电话与固定天线之间的功率。由基地台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，只需1分钟。




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全向灵敏度


全向灵敏度(TIS)是通过天线到达接收机的功率在所有方向上的积分。这一灵敏度同样受到接收机灵敏度、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，如行动电话机壳、人体等的影响。
在微波混响室中测量TIS，被测设备须要用与前面描述类似的方法放置。一旦呼叫成功，基地台仿真器将按给定低功率发送比特流(Bit Stream)给行动电话，并命令行动电话在接收全部数据、以及确定没有进一步的位误差出现在上行连接后，以最大功率回传同样数据。基地台仿真器将接收到的回传比特流与原始数据加以比较，以GSM电话为例，如果位误码率低于2.4%，则由基地台仿真器送出的功率将继续降低，直到找到与2.4%位误码率相对应的发射功率为止。此功率减去微波混响室的损耗，即是在位误码率为2.4%时的接收功率。如此一来，对每个搅模器位置重复相关测试，通过对所有测量进行平均就可能求得TIS数值
一般来说，TIS的测量应当在没有衰落或静态环境中进行，这可能是由于习惯上使用微波暗室进行测量的缘故。虽然在微波混响室内亦可进行静态测量，只要将所有搅模机构固定位置再测量误码率即可，不过这样会使得在微波混响室内测量TIS也需要很长时间。
不过，微波混响室亦提供在连续衰落环境下测量接收机灵敏度的可能性，这样的可能性也更加接近真实情况。这种情况称作平均衰落灵敏度(Average Fading Sensitivity, AFS)。这项测量与前面描述的测量方法类似，其不同点在当全部搅模机构都在移动时，测量基地台仿真器输出给定功率时的平均误码率。经由测试得知，在AFS与TIS之间有一个固定差值，就是TIS可以由AFS来估算。而若是选择适当的测试方法与仪器，AFS可以在大约5分钟内测出；如果只想测量某个天线配置下的相对接收灵敏度，也只需要1分钟。




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分集增益


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。藉由选用不同讯号的组合，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。
然而，问题是，当设计人员意欲得到天线最佳化的配置时，环境衰落却不断变化，使得设计人员永远无法得知所得到的测试结果，究竟是因为环境变化，还是天线配置改变所导致。
另外，也可以藉由在电波暗室的量测得到天线分集增益。实作上，个别测量多天线组中每一支天线增益，在量测完成后利用软件加入各种衰落类型，将得以估算分集增益。不过这会耗费较长的时间，动辄需要数小时。
当然，一个有效的替代方案是使用可重现瑞利衰落的微波混响室，将天线组如前所述的方法置入混响室，并使用多端口网络分析仪测量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。
个别天线将对低于特定的衰落准位，分别显示特定的发生机率，这样的机率称为累计分布函数(Cumulative Distribution Probability, CDP)。藉由每个时间点所量到的S12与S13最佳值形成的CDP就是所谓的选用组合。而再取用S12或S13之间任何一个CDP与选用组合CDP的差值，将可估算表象分集增益。
然而，最重要的参数是与理想天线相比所能增加的增益，也就是说，具有100%效率天线的CDP与选择组合的CDP相比，所能增加的增益，即为有效分集增益(Effective Diversity Pain)。如果与具有损耗的实际天线CDP相比，则称为实际分集增益(Actual Diversity Gain)。
对于互耦性强的天线配置如非常接近的偶极天线，天线效率将变得非常低，意味着看来似乎很好的分集增益，实际上在比较单一天线特性已经不同。
在图3中可以看出，两支900MHz的偶极天线间，相距11毫米时，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)，实际上将损失讯号强度。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%。图3中的线A为单一偶极天线对应100%辐射效率的衰落，线A与选用组合差值如图中箭头所示，而各线与选用组合的差值即有效分集增益，亦如图中箭头所示。



图3　两平行偶极天线在900MHz分别相距11毫米与50毫米时，其表象与有效分集增益。






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MIMO天线


MIMO是一项新技术，它在发射端及接收端均使用多天线，如此一来可以增加传输速率(Throughput)以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。由于无线通讯必定在具有衰落的环境中进行，所以存在许多不相关的传输路径，衰落路径自然越多越好。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，天线靠得越近辐射效率会越低。而在混响室中，可测量MIMO天线与三个固定天线间在近似瑞利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，就可以使用夏侬(Shannons)容量公式计算通讯容量：



瑕不掩瑜　微波混响室热度攀升

微波混响室同时提供了可重复及可控制的环境下进行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。

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，它的优点之一是可以很快开始测量，测量过程也非常快速，诸如天线效率、辐射总功率、分集增益和MIMO的测量皆仅需时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，与电波暗室比较，微波混响室体积较小且价格也较低。

不过，微波混响室的缺点之一是无法测得天线场型。所幸由于在设计小型天线时，小型天线多半是全方向辐射、指向性较低的特性，天线场型通常并不重要，因此微波混响室仍是瑕不掩瑜，在近期仍掀起一波热潮。