日益重要的小型天線

1、日益重要的小型天線 具有小型天線的無線通訊產(chǎn)品市場正在飛速成長。雖然受到全球金融危機(jī)的影響，但是隨著3G、Wimax、上網(wǎng)本以及WiFi Phone的發(fā)展，2009年預(yù)估的世界手機(jī)銷售量將超越十億（Gartner）。為了提供更多的無線功能于移動式產(chǎn)品（GMS、WCDMA、HSDPA、HSUPA、Bluetooth、WLAN），每臺移動式產(chǎn)品都同時使用很多的小型天線。更多的移動式產(chǎn)品更開始增加GPS、DVB-H、CMMB等等功能。使用無線通訊的產(chǎn)品范疇亦由移動電話、無線局域網(wǎng)絡(luò)由器、手提電腦領(lǐng)域擴(kuò)展到諸如手機(jī)電視、數(shù)字相機(jī)、無線電視游戲機(jī)、GPS導(dǎo)航器、RFID標(biāo)簽等等。 小型天線相較于大型天線

2、的不同之一在于它們的性能很難用仿真軟件精確仿真。其原因在于大型天線通常用在周圍不存在影響其功能的障礙物的空曠環(huán)境。與之相反，小型天線通常放置于包含吸收性材料、隔離材質(zhì)或以不同方式影響天線性能的其它材料的殼體內(nèi)。在移動電話中還常常設(shè)置有數(shù)個互為影響的不同天線。 小型天線最重要的參數(shù)是它的天線效率（Antenna efficiency）。它表明有多少發(fā)射功率實(shí)際輻射到空間，或者說輸向天線的輻射有多少能到達(dá)接收機(jī)。通過優(yōu)化來盡可能提高天線效率，就可能直接影響許多重要參數(shù)，比如覆蓋范圍、電池壽命、以及上行和下行連接的位錯誤率（Bit error rate）。對于小型天線很難用仿真軟件進(jìn)行這種類型的最佳

3、化模擬。 由于大多數(shù)小型天線必須在多個頻道、甚至數(shù)個頻段具有較高的效率比現(xiàn)，因而在無線產(chǎn)品的開發(fā)及驗(yàn)證期間就需要進(jìn)行大量測量工作，所以當(dāng)公司能運(yùn)用較快的量測方法來驗(yàn)證產(chǎn)品的性能，那公司就能使其新產(chǎn)品更快于其它公司推向市場，從而增強(qiáng)公司的競爭力。 測量天線的傳統(tǒng)方法是在微波暗室（Anechoic Chamber）中進(jìn)行，亦即沒有任何反射，這對通常用于視線環(huán)境（Line-Of-Sight, LOS）的大型天線十分適合。但對用于室內(nèi)或都市這類存在有大量反射環(huán)境的小型天線性能量測確是又慢又不合適。反而在具有多重反射的環(huán)境，更符合于無線產(chǎn)品于實(shí)際環(huán)境的使用，微波混響室（Reverberation Cha

4、mber）就是使用瑞利衰落理論（Rayleigh Fading）來仿真無線產(chǎn)品于實(shí)際環(huán)境的情形。而微波混響室可以做得遠(yuǎn)小于微波暗室，而其測量速度確可以遠(yuǎn)快于微波暗室。 這種新技術(shù)之所以吸引越來越多興趣的另一個極大優(yōu)點(diǎn)在于它提供了對具有多天線的產(chǎn)品的分集增益（Diversity Gain）和MIMO（Multiple Input Multiple Output，多發(fā)多收）通訊容量（Capacity）進(jìn)行直接測量的可能性。作為其替代方案的“驅(qū)車”測量法則非常復(fù)雜，而又極不可靠。您不可能精確的循同一環(huán)境路線驅(qū)車多次。目前這一技術(shù)已經(jīng)在工作于開發(fā)新型移動寬帶廣播終端的群體，比如 HSDPA、 WiMA

5、X、LTE（Long Term Evolution, 長程進(jìn)化）領(lǐng)域的群體中引起了極大興趣，很多人希望能使用微波混響室進(jìn)行多小型天線系統(tǒng)的特性測量。什么是微波混響室 早在30多年前就開始應(yīng)用微波混響室、或稱攪模室（Mode-Stirred Chamber）、來進(jìn)行電氣設(shè)備的電磁兼容測量（EMC, Electro Magnetic Compatability），用以確定電氣設(shè)備的輻射量，以免干擾其它電氣設(shè)備。微波混響室通常是一個具有某種攪模機(jī)構(gòu)的，具有不同三維尺度的金屬盒子或曰腔體。當(dāng)它被小室中的一個、或數(shù)個天線在適當(dāng)頻率激發(fā)時，其中將會產(chǎn)生一定數(shù)量的駐波模式。 通過將被測物放入腔體中我們可以確

6、保它所產(chǎn)生的全部輻射都保留在腔體內(nèi)，通過使用可動金屬板、通常為旋轉(zhuǎn)漿葉的形態(tài)、我們可以改變腔體內(nèi)之駐波模式的邊界條件，就可以保證無論輻射向哪個方向發(fā)射、都可以檢測到輻射功率。 用于EMC測量的微波混響室的測量精度通常不超過3dB的標(biāo)準(zhǔn)差（STD, Standard Deviation）。這一精度對EMC測量是足夠了，但對于測量天線的效率、輻射功率或接收靈敏度而言、這一量測不確定度是太高了。由新觀念催生的衍生公司“ Bluetest ” 在 1990年代末期，在 Chalmer理工學(xué)院（Chalmer University of Technology）天線小組工作的 Per-Simon Kild

7、al教授開始思考如何提高微波混響室的精度和速度，以便能夠用它來測量小型天線、或具有小型天線的無線終端的天線效率、輻射功率、及其接收靈敏度。其出發(fā)點(diǎn)在于認(rèn)識到傳統(tǒng)的在微波暗室中測量天線的方法對于小型天線、或具有小型天線的無線終端、例如移動電話的測量完全不適用，因?yàn)檫@些設(shè)備通常用在多反射的環(huán)境中，例如室內(nèi)或都市環(huán)境。 與此同時、某些公司已經(jīng)開始對具有多天線的終端設(shè)備產(chǎn)生興趣，亦即分集系統(tǒng)、或多入多出終端（Diversity or MIMO Terminals）。這類設(shè)備有可能增加移動寬帶系統(tǒng)的頻譜效率和數(shù)據(jù)傳輸率。在無反射的環(huán)境，如微波暗室中，分集或多入多出系統(tǒng)不可能起作用。但在微波混響室中確能很

8、容易、快速的測量出它們的分集增益，或MIMO容量（Capacity）。 此外、微波混響室的尺寸遠(yuǎn)小于微波暗室，價格也更低廉。 微波暗室是在二次大戰(zhàn)期間為測量雷達(dá)天線而發(fā)展起來的。這一方法沿襲下來，適于測量大型天線，除雷達(dá)天線外，亦可測微波通訊天線、衛(wèi)星天線等等。這類天線的共同點(diǎn)在于它們都是用在很少干擾或反射的環(huán)境中，亦即視線條件下（LOS, Line-Of-Sight）?；趥鹘y(tǒng)和需求，在沒有替代方法的情況下，開發(fā)小型天線的群體亦使用微波暗室進(jìn)行測量。 而Bluetest AB 公司創(chuàng)立的愿景，就是希望能夠?yàn)樾⌒吞炀€設(shè)計者、以及應(yīng)用小型天線的無線產(chǎn)品生產(chǎn)者，提供一套可擺放在設(shè)計部門內(nèi)的極小測量

9、系統(tǒng)。 Bluetest AB Bluetest AB與Chalmers的教授們已經(jīng)緊密合作多年，逐漸開發(fā)及改進(jìn)了微波混響室技術(shù)。目前 Bluetest已經(jīng)開發(fā)出三個產(chǎn)品系列。小型標(biāo)準(zhǔn)微波混響室適合天線效率及輻射功率測量，具有極高隔離度（100dB）的高性能微波混響室適于測量接收靈敏度（TISAFS），特約設(shè)計的攪模器可以配裝到任何尺寸的現(xiàn)有微波隔離室內(nèi)、從而將其轉(zhuǎn)變?yōu)槲⒉ɑ祉懯摇?Bluetest的客戶群分布在亞洲、歐洲、北美和南美洲，包括移動電話開發(fā)商制造商、移動通訊營運(yùn)商、小型天線開發(fā)的廠商及大學(xué)。其中包括五大移動電話制造公司。高性能微波混響室在2006年開發(fā)完成，可在510分鐘內(nèi)完成單

10、一頻道接收靈敏度的量測，而同樣的量測如在微波暗室中進(jìn)行，得花費(fèi)更長更久的時間。它可以在僅僅一分鐘的時間內(nèi)完成天線效率、總輻射功率、分集增益、MIMO移動電話等。快速的測量時間引起業(yè)界極大興趣。Bluetest的微波混響室是如何工作的? 將被測量的天線或無線終端、比如移動電話、放在微波混響室內(nèi)的轉(zhuǎn)臺上。待測設(shè)備（待測物）的位置選擇非常容易，只要保證它距離微波混響室任意壁面至少12波長的距離即可。下一步是測量待測物與三個相互正交的壁單極子天線之間的傳輸功率，或復(fù)傳輸系數(shù)S12。以下將對天線效率、輻射功率、接收靈敏度、以及分集增益和MIMO的計算作更詳細(xì)的講解。 Bluetest微波混響室與傳統(tǒng)EM

11、C微波混響室的主要區(qū)別在于針對同樣尺寸大小的腔體前者能產(chǎn)生更多的獨(dú)立取樣數(shù)。為此Bluetest微波混響室使用了多個相互獨(dú)立的攪模技術(shù)。 這些攪模技術(shù)包括：（1）由2個正交金屬片構(gòu)成的機(jī)械攪模器，通過將金屬片緣腔體的整個高度和深度移動可以獲得大量數(shù)目的獨(dú)立場分布。（2）平臺攪動，與待測物位置固定的狀況比較，通過讓待測物在腔體內(nèi)作圓周移動可以測到更多的獨(dú)立取樣。（3）極化攪模，通過使用三個固定的、相互正交的單極子天線，并測量全部三個天線上的信號功率，我們將測得的獨(dú)立取樣數(shù)增加了三倍。（4）頻率攪模，通過在頻率上進(jìn)行平均能進(jìn)一步提高測量精度，但會降低頻率分辨度。 如果您能獲得足夠大量的獨(dú)立模數(shù)，可

12、以證明待測物將感受到各方向同性的入射狀況，換句話說、您能測得天線或移動電話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。 如果您觀察在待測物與壁單極子天線之間的功率，它們呈現(xiàn)Rayleigh分布?；蛟划?dāng)有大量彼此相互干擾的獨(dú)立平面波時您所能獲得的統(tǒng)計分布。這種統(tǒng)計衰落與人們在室內(nèi)或都市中心常會遇到的統(tǒng)計衰落非常類似。我們可以利用這一特點(diǎn)進(jìn)行快速接收靈敏度測量，亦可用來估計分集增益與MIMO容量。實(shí)際測量參考測量 首先我們需要用一個已知輻射效率的天線執(zhí)行參考測量。該天線的輻射效率可通過計算、或執(zhí)行其它暗室測量來獲得。這個測量程序與在微波暗室使用

13、標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭天線類似。通過首先測量參考天線，我們可以獲得對微波混響室總損耗的估計。因而必需要求在參考測量與天線效率及輻射功率等測量間不要移出或移入任何可以影響損耗的對象。參考天線在腔體內(nèi)的位置應(yīng)至少離腔壁或攪模板0.5倍波長，離諸如人腦模型一類的吸波材料0.7倍波長的距離。測量使用一臺網(wǎng)絡(luò)分析儀。在連續(xù)攪模狀態(tài)下測量由三個固定天線中每個到參考天線的平均接收功率。在高性能微波混響室中只須耗費(fèi)一分鐘就可將此值測到小于0.5dB的標(biāo)準(zhǔn)差。由于我們知道參考天線的效率、以及由參考測量獲得的接收功率，我們可以將接收功率歸一化到假定參考天線具有100%效率時的接收功率，我們稱其為功率Pref。天線效率 一旦

14、完成參考測量，就可以測量未知效率天線的效率。整個過程與前面類似，我們將目前使用被測天線（Antenna Under Test,AUT）測得的功率記作PAUT。這樣就可以使用下式計算未知天線的天線效率：erad=PAUT/Pref 在高性能微波混響室中執(zhí)行這一測量只需要一分鐘?？傒椛涔β剩═RP） 總輻射功率（TRP）是由諸如移動電話向各方向發(fā)射的功率的全積分。這一功率會受到放大器輸出功率、放大器與天線間的失配、天線效率、以及在天線附近會對其損耗作出貢獻(xiàn)的物體，例如移動電話殼體、手、頭等的影響。 在Bluetest微波混響室中測量例如移動電話這類待測物的總輻射功率，需要將被測物置于轉(zhuǎn)臺上，其位置

15、應(yīng)至少離腔壁0.5倍波長，離吸波材料0.7倍波長的距離。將一個基站仿真器連到三個固定天線?，F(xiàn)在可以在基站仿真器與移動電話之間建立通訊聯(lián)絡(luò)。在測量移動電話時通常需要使用特殊的SIM卡，一旦呼叫成功，基站仿真器將命令移動電話輸出最大功率。其后測量移動電話與固定天線之間的功率。由基站仿真器測量它所接收到的功率。從參考測量我們已經(jīng)知道微波混響室的損耗有多大，因而就很容易計算總輻射功率。與測量天線效率的情況類似，在高性能微波混響室中執(zhí)行這一測量并達(dá)到小于0.5dB的標(biāo)準(zhǔn)差的結(jié)果只需要一分鐘。全向靈敏度（TIS） 總各向同性靈敏度（TIS）是通過天線到達(dá)接收機(jī)的功率在所有方向上的積分。這一靈敏度將受到接收

16、機(jī)靈敏度、接收機(jī)與天線間的失配、天線效率、以及在天線附近會對其損耗作出貢獻(xiàn)的物體，例如移動電話殼體、手、頭等的影響。 在Bluetest微波混響室中測量總各向同性靈敏度，被測設(shè)備需要用與前面描述類似的方法放置。一旦呼叫成功，基站仿真器將按給定低功率發(fā)送比特流給移動電話，并命令移動電話在接收完全部數(shù)據(jù)、并確定沒有進(jìn)一步的比特誤差出現(xiàn)在上行連接后、以最大功率回傳同樣數(shù)據(jù)。基站仿真器將接收到的回傳比特流與原始數(shù)據(jù)加以比較，如果比特誤碼率低于2.4%（以GSM電話為例），則由基站仿真器送出的功率將按步級繼續(xù)降低，直到找到與2.4%比特誤碼率相對應(yīng)的發(fā)射功率為止。這一功率減去微波混響室的損耗既是在比特誤

17、碼率為2.4%時的接收功率。對每個攪模器位置重復(fù)這一測試，通過對所有測量進(jìn)行平均就可能求得TIS值。 按照定義TIS的測量應(yīng)當(dāng)在沒有衰落、或曰靜態(tài)環(huán)境中進(jìn)行。這可能是由于習(xí)慣上是使用微波暗室進(jìn)行測量的緣故。在Bluetest微波混響室內(nèi)亦可能進(jìn)行靜態(tài)測量，只要當(dāng)所有攪模機(jī)構(gòu)都在固定位置時測量誤碼率即可。這樣做會使得在微波混響室內(nèi)測量TIS也需要很長時間。 微波混響室亦提供了在連續(xù)衰落的環(huán)境下測量接收機(jī)靈敏度的可能性。這在一定程度上與實(shí)用情況類似。這種情況稱作 AFS（ Average Fading Sensitivity），即平均衰落靈敏度。這項測量與前面描述的測量方法類似，其不同點(diǎn)在于是當(dāng)全

18、部攪模機(jī)構(gòu)都在移動時，測量基站仿真器輸出給定功率時的平均誤碼率。即是說接收機(jī)體驗(yàn)到由基站仿真器決定的某個衰落平均值下的Rayleigh衰落環(huán)境。經(jīng)由Bluetest進(jìn)行的若干測試表明、在AFS與TIS之間有一個固定差值，就是說TIS可以由AFS來估算。AFS可以在大約5分鐘內(nèi)測出，這對測量接收機(jī)靈敏度所需的時間方面來說、是一個很大的改進(jìn)。如果您只想要測量某個天線配置下的相對接收靈敏度，只需要一分鐘就可以得到結(jié)果。 分集增益（Diversity Gain） 分集技術(shù)是基于多支處于不同衰落的天線，其接收總和的應(yīng)用。藉由選用不同信號的組合，即使在最差的1%衰落，天線的分集增益依然可以提升到10dB。

19、藉由車輛移動測試，可以測量得出分集增益，也就是說，以駕車或步行方式，仿真多天線配置的裝置經(jīng)過衰落環(huán)境。問題是，當(dāng)你想得到天線最佳化的配置時，環(huán)境的衰落卻不斷的變化，使得你永遠(yuǎn)無法得知：您所得到的測試結(jié)果，是因?yàn)榄h(huán)境的變化或是天線配置的改變所導(dǎo)致。 另外，也可以藉由在電波暗室的量測得到天線的分集增益：個別地測量多天線組中的每一支天線增益，量測完成后，利用軟件加入各種衰落類型，得以估算分集增益。這將會耗費(fèi)較長的時間，需以小時計。 一個有效的替代方案是使用可重現(xiàn)Rayleigh衰落的微波混響室，將天線組如前所述的方法置入混響室。如果可以，使用多端口的網(wǎng)絡(luò)分析儀量測天線組內(nèi)各天線端的振幅與相位，以及混

20、響室內(nèi)三個固定天線的散射參數(shù)S1j；對于具有兩支天線的分集系統(tǒng)，S12與S13可同時量測得到。每一個別的天線將對低于特定的衰落準(zhǔn)位分別顯示特定的發(fā)生機(jī)率，稱為累計分布函數(shù)（the Cumulative Distribution Probability;CDP）。藉由每個時間點(diǎn)所量到的S12與S13，的最佳值形成的累積分布函數(shù)就是所謂的“選用組合”，取用S12或S13之間任何一個的CDP與選用組合CDF的差值?？晒浪恪氨硐蟆狈旨鲆?，也就是，在最嚴(yán)重的衰落現(xiàn)象（通常選取最佳天線的1%機(jī)率的準(zhǔn)位）所能增加的增益。然而，最重要的參數(shù)是與理想天線相比，所能增加增益，也就是說，與具有100%效率的天線的

21、 CDP，與選擇組合的CDP相比，所能增加的增益。這就是“有效”分集增益（“effective ”diversity gain）。如果與具有損耗的實(shí)際天線的CDP相比，則稱為“實(shí)際”分集增益（ “actural”diversity gain）。 對于具有互耦性強(qiáng)的天線配置例如非常接近的偶極天線天線效率將變得非常低，這意味著看起來似乎是非常好的分集增益（也就是“表象”分集增益），實(shí)際上，用來比較單一天線特性已經(jīng)不同。 在圖中，我們可以看到，兩支900MHz的偶極天線間，相距11mm時，在1%的機(jī)率準(zhǔn)位，“有效”分集增益只有1.5dB。與僅用一支天線相比，在大部分的時間（在這一例子中，超過90%的

22、時間內(nèi)），實(shí)際上將損失信號強(qiáng)度。在使用偶極天線時，“有效”分集增益與“實(shí)際”分集增益非常相近，因?yàn)榈湫投O振子天線的效率大約為95%。 在高性能微波混響室中、執(zhí)行圖3的測量僅僅花費(fèi)了一分鐘。除“有效”分集增益和“視在”分集增益，我們同時獲得了每個天線的輻射效率，以及天線間的相關(guān)性。多發(fā)多收天線（MIMO Antenna） MIMO（Multiple Input Multiple Output; 多入多出）是一項新技術(shù)，它在發(fā)射端及接收端均使用多天線，如此，可以增加傳輸率（throughput），供未來無線通訊系統(tǒng)所使用。為了增加傳輸率，多天線系統(tǒng)的必要條件是：這些天線彼此間的相關(guān)性越低越好，無

23、線通訊必定在具有衰落的環(huán)境中進(jìn)行，所以存在著許多不相關(guān)的傳輸路徑，衰落路徑越多越好。再者，天線應(yīng)用最重要的參數(shù)為輻射效率，由前面分集增益的案例得知，當(dāng)天線靠得越近時，輻射效率會降低。在混響室中，可測量MIMO天線與三個固定天線間、在近似 Rayleigh衰落環(huán)境中傳輸通道的變化狀況，亦即通道矩陣H。得知此一矩陣，就可以使用Shannons容量公式計算通訊信道的容量（the throughput capacity）： 在高性能混響室中使用多通道網(wǎng)絡(luò)分析儀，這類測量可以在僅僅一分鐘時間內(nèi)完成。 微波混響室同時提供了可重復(fù)、及可控制的環(huán)境下進(jìn)行全新類型的MIMO測量的可能性。例如對具有無線網(wǎng)絡(luò)橋接器及筆記型計算機(jī)的完整系統(tǒng)進(jìn)行測量。這樣就可以在復(fù)雜的散射環(huán)境中，針對最佳傳輸速率、對橋接器及筆記型計算機(jī)的天線系統(tǒng)配置，快速的進(jìn)行最佳化。多發(fā)多收天線（MIMO Antenna） MIMO（Multiple Input Multiple Output; 多入多出）是一項新技術(shù)，它在發(fā)射端及接收端均使用多天線，如此，可以增加傳輸率