微波混響暗室的應用設計

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開始可使用標準微波混響室、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立模數，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終端在所有方向上的性能。這一特點被用于天線效率、總輻射功率(TRP)及總全向靈敏度(TIS)的測量。

在此時觀察待測物和單極子天線的S12值，會發現呈瑞利分布。當有大量互相干擾的獨立平面波時，我觀察到的統計分布和市內或都市中心與道德統計衰落分布非常相似。因此研發人員可以利用這個特點進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，我們討論一下實際測試的應用。首先需要對一個已知輻射效率的天線進行參考測量。這個測試過程和在吸波暗室中使用標準增益喇叭天線類似。通過對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。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在連續攪模的狀態下測量由三個單極子天線任意一個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標準差的功率值。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%效率時的接收功率，標記為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記為PAUT。這樣就可以使用下面公式計算待測天線的效率

總輻射功率

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

在混響暗室中測量移動終端的總輻射功率，需要將待測物安放在轉臺上，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個單極子天線，這樣基站模擬器和移動終端可以建立連接，同時基站模擬器命令移動終端輸出最大功率。然后測量移動終端和單極子天線之間的功率。從參考測量我們已經知道了混響暗室的總損耗值，這樣就很容易計算總輻射功率。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標準差的功率值。

全向靈敏度

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

在混響暗室中測量移動終端的全向靈敏度，準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發送比特數據流給移動終端，并要求移動終端以最大功率回傳數據流，然后基站模擬器對數據流進行對比。以GSM手機為例，如果誤碼率小于2.4%，則基站模擬器會進一步降低輸出功率，直到誤碼率達到2.4%。此時的發射功率除去暗室總損耗就是誤碼率為2.4%時的接收功率。然后對每個攪模器的位置進行重復測量，并平均所有數值就可以算出TIS值。一般來說TIS測量應該在沒有衰落的環境中進行，這可能是由于習慣上采用吸波暗室的原因。雖然在混響暗室也可以進行靜態測量，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也需要很長的時間。

但是混響暗室也提供在衰落環境下測量接收機靈敏度的方案，這樣也更加接近真實情況。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，不同點是在所有攪模器移動的過程中測量平均誤碼率。由測試得知，AFS和TIS之間有一個固定差值，也就是TIS可以由AFS來推導出。選擇適當的測量方法，AFS可以在大約5分鐘內測試得到。

分集增益

分集技術是基于多個處于不同衰落點的天線集的接收信號總和的應用。通過選擇不同信號的組合，即使在最差的1%衰落環境下，天線的分集增益也可以提升10 dB。傳統方法可以通過路測得出分集增益的數值。不過問題就是當開發人員進行天線的最優化配置的時候，路測衰落環境卻是在不斷變化的，這使得開發工程師永遠無法獲知路測的結果是由于環境變化還更改天線集的配置所引起的。當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間，少則數小時，多則數十小時。

所以我們提出一個有效的方案，使用可以重現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測量天線集內的各個天線端的信號振幅和相位以及三個單極子天線的散射參數S1j。對于雙天線分集系統S12和S13可同r測量得到。每一個天線對應于特定的衰落點，分別顯示特定的發生概率，我們稱這樣的概率為累計分布概率(Cumulative Distribution Probability, CDP)。通過每個時間點測量到的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CDP和組合CDP的差值就分集增益。

當然分集天線集最重要的參數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，我們稱之為實際分集增益(Actual Diversity Gain)。對于耦合很強的天線集，如非常接近的偶極子天線，天線效率會非常低。這意味著看上去很好的分集增益，還不如單一天線。

MIMO 系統容量

在未來的移動通信系統中，建議在基站和終端都使用天線陣以形成多個獨立的通信通道（例如MIMO系統）。例如，3根和6根天線分別在系統的發信和收信端，對應于形成3X6=18個可能的通道。然后數據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。