微波混響暗室的應(yīng)用設(shè)計(jì)

一般來說微波混響室的尺寸越大，測量精度就越高。因此從850MHz開始可使用標(biāo)準(zhǔn)微波混響室、從700MHz開始則使用高性能微波混響室，而從400MHz開始測量，則需要尺寸大約為2.0×2.5×3.0米的混響暗室。如果能獲得足夠大量的獨(dú)立模數(shù)，將可證明待測物各向同性的入射狀況，也就是能測得天線或移動(dòng)終端在所有方向上的性能。這一特點(diǎn)被用于天線效率、總輻射功率(TRP)及總?cè)蜢`敏度(TIS)的測量。

在此時(shí)觀察待測物和單極子天線的S12值，會(huì)發(fā)現(xiàn)呈瑞利分布。當(dāng)有大量互相干擾的獨(dú)立平面波時(shí)，我觀察到的統(tǒng)計(jì)分布和市內(nèi)或都市中心與道德統(tǒng)計(jì)衰落分布非常相似。因此研發(fā)人員可以利用這個(gè)特點(diǎn)進(jìn)行快速接收靈敏度測量，或者估算分集增益和MIMO容量。

了解以上的工作原理后，我們討論一下實(shí)際測試的應(yīng)用。首先需要對(duì)一個(gè)已知輻射效率的天線進(jìn)行參考測量。這個(gè)測試過程和在吸波暗室中使用標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭天線類似。通過對(duì)已知輻射效率的天線的測量可以獲得混響暗室總損耗的估計(jì)。因此必須要求在測試期間不要增加或減少任何可能影響損耗的物品。

天線效率

參考天線在暗室內(nèi)的位置至少離腔壁或攪模板0.5倍波長，離人頭模型類的吸波材料0.7倍的波長。使用VNA在連續(xù)攪模的狀態(tài)下測量由三個(gè)單極子天線任意一個(gè)到參考天線的平均接受功率。在高性能混響暗室中，只需要1分鐘就可以測到小于0.5dB標(biāo)準(zhǔn)差的功率值。由于參考天線的效率為已知，因此我們可以將接收功率歸一化到假定參考天線具有100%效率時(shí)的接收功率，標(biāo)記為Pref 。在完成參考測量后就可以測量未知天線的效率，過程和前面所述類似。將被測天線測得的功率標(biāo)記為PAUT。這樣就可以使用下面公式計(jì)算待測天線的效率

總輻射功率

關(guān)于總輻射功率 (TRP)，理論上就是移動(dòng)終端在全方向輻射功率的全積分。這個(gè)值會(huì)受到功放輸出功率，功放和天線間的失配，天線效率以及天線附近的吸波物質(zhì)等影響。

在混響暗室中測量移動(dòng)終端的總輻射功率，需要將待測物安放在轉(zhuǎn)臺(tái)上，至少離腔壁或攪模板0.5倍波長, 離吸波材料0.7倍的波長，將基站模擬器（綜測儀）連接到3個(gè)單極子天線，這樣基站模擬器和移動(dòng)終端可以建立連接，同時(shí)基站模擬器命令移動(dòng)終端輸出最大功率。然后測量移動(dòng)終端和單極子天線之間的功率。從參考測量我們已經(jīng)知道了混響暗室的總損耗值，這樣就很容易計(jì)算總輻射功率。和測量天線效率類似，在高性能混響暗室中，只需要1分鐘就可以測到小于0.5dB標(biāo)準(zhǔn)差的功率值。

全向靈敏度

全向靈敏度(TIS) 理論上就是通過天線到達(dá)移動(dòng)終端接收機(jī)的功率在全方向上的積分。這個(gè)值會(huì)受到接收機(jī)靈敏度，接收機(jī)和天線間的失配，天線效率以及天線附近的吸波物質(zhì)等影響。

在混響暗室中測量移動(dòng)終端的全向靈敏度，準(zhǔn)備工作和前面所述類似。建立連接后，基站模擬器按照給定的低信號(hào)發(fā)送比特?cái)?shù)據(jù)流給移動(dòng)終端，并要求移動(dòng)終端以最大功率回傳數(shù)據(jù)流，然后基站模擬器對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行對(duì)比。以GSM手機(jī)為例，如果誤碼率小于2.4%，則基站模擬器會(huì)進(jìn)一步降低輸出功率，直到誤碼率達(dá)到2.4%。此時(shí)的發(fā)射功率除去暗室總損耗就是誤碼率為2.4%時(shí)的接收功率。然后對(duì)每個(gè)攪模器的位置進(jìn)行重復(fù)測量，并平均所有數(shù)值就可以算出TIS值。一般來說TIS測量應(yīng)該在沒有衰落的環(huán)境中進(jìn)行，這可能是由于習(xí)慣上采用吸波暗室的原因。雖然在混響暗室也可以進(jìn)行靜態(tài)測量，只要將所有攪模器固定位置后測試誤碼率即可，不過這樣的話在混響暗室測量TIS也需要很長的時(shí)間。

但是混響暗室也提供在衰落環(huán)境下測量接收機(jī)靈敏度的方案，這樣也更加接近真實(shí)情況。我們一般稱這種情況為平均衰落靈敏度(Average Fading Sensitivity, AFS)。測量方法和前面描述類似，不同點(diǎn)是在所有攪模器移動(dòng)的過程中測量平均誤碼率。由測試得知，AFS和TIS之間有一個(gè)固定差值，也就是TIS可以由AFS來推導(dǎo)出。選擇適當(dāng)?shù)臏y量方法，AFS可以在大約5分鐘內(nèi)測試得到。

分集增益

分集技術(shù)是基于多個(gè)處于不同衰落點(diǎn)的天線集的接收信號(hào)總和的應(yīng)用。通過選擇不同信號(hào)的組合，即使在最差的1%衰落環(huán)境下，天線的分集增益也可以提升10 dB。傳統(tǒng)方法可以通過路測得出分集增益的數(shù)值。不過問題就是當(dāng)開發(fā)人員進(jìn)行天線的最優(yōu)化配置的時(shí)候，路測衰落環(huán)境卻是在不斷變化的，這使得開發(fā)工程師永遠(yuǎn)無法獲知路測的結(jié)果是由于環(huán)境變化還更改天線集的配置所引起的。當(dāng)然我們也可以通過吸波暗室測量天線的分集增益，測量天線集中每個(gè)天線的增益，測量完成后利用軟件加入各種衰落模型用于估算分集增益。不過這種方法需要很長的時(shí)間，少則數(shù)小時(shí)，多則數(shù)十小時(shí)。

所以我們提出一個(gè)有效的方案，使用可以重現(xiàn)瑞利衰落的混響暗室。我們將天線集如前所訴放入暗室，使用多端口VNA測量天線集內(nèi)的各個(gè)天線端的信號(hào)振幅和相位以及三個(gè)單極子天線的散射參數(shù)S1j。對(duì)于雙天線分集系統(tǒng)S12和S13可同r測量得到。每一個(gè)天線對(duì)應(yīng)于特定的衰落點(diǎn)，分別顯示特定的發(fā)生概率，我們稱這樣的概率為累計(jì)分布概率(Cumulative Distribution Probability, CDP)。通過每個(gè)時(shí)間點(diǎn)測量到的S12和S13最佳值形成的CDP就是所謂的選用組合。而之間任意一個(gè)CDP和組合CDP的差值就分集增益。

當(dāng)然分集天線集最重要的參數(shù)是和理想天線相比的增益，也就是具有100%效率天線的CDP和選用組合的CDP的比值，我們稱之為有效分集增益(Effective Diversity Pain)。如果和有損耗的天線CDP相比，我們稱之為實(shí)際分集增益(Actual Diversity Gain)。對(duì)于耦合很強(qiáng)的天線集，如非常接近的偶極子天線，天線效率會(huì)非常低。這意味著看上去很好的分集增益，還不如單一天線。

MIMO 系統(tǒng)容量

在未來的移動(dòng)通信系統(tǒng)中，建議在基站和終端都使用天線陣以形成多個(gè)獨(dú)立的通信通道（例如MIMO系統(tǒng)）。例如，3根和6根天線分別在系統(tǒng)的發(fā)信和收信端，對(duì)應(yīng)于形成3X6=18個(gè)可能的通道。然后數(shù)據(jù)分布傳輸在這些通道上并在接收端匯合在一起。如此一來所有的通道容量都被最大化。