微型天線帶來量測新挑戰　微波混響室應運而生

2008-12-05

Mats Andersson/梁文烈/鄭忠岳

多天線手持行動裝置當紅，再加上行動電話的主要應用地區又集中在多干擾的都市地區，不但帶動小型天線的發揚，也進而刺激精準量測解決方案的問世，如微波混響室就是一例，其對於具有多天線的產品，可直接測量分集增益與MIMO通訊容量，同時兼具體積小、價格低的優點。

根據市調單位顧能(Gartner)預估，2009年全球手機銷售量將第三度單年超越十億支，也間接證實具有小型天線的無線通訊產品市場正在飛速成長。而為了提供更多的無線通訊技術如全球行動通訊系統(GSM)、寬頻分碼多重接取(WCDMA)、高速封包接取(HSPA)、藍牙(Bluetooth)與無線區域網路(WLAN)於可攜式通訊裝置上，各種可攜式通訊裝置勢必都須同時使用大量的小型天線。

若再加上更多的可攜式通訊裝置開始增加全球衛星定位系統(GPS)、行動電視規格如DVB-H等功能，使用無線通訊的裝置範疇亦由行動電話、無線區域網路由器、筆記型電腦領域一路擴展到數位相機、可攜式多媒體播放器(PMP)、MP3播放器、無線射頻辨識系統(RFID)標籤等。

小型天線軟體難模擬　慎選量測方式增效率

小型天線相較於大型天線的不同處之一，在於它們的性能很難用模擬軟體精確模擬。其原因在於大型天線通常用在周圍不存在影響其功能障礙物的空曠環境；反之，小型天線通常放置於包含吸收性材料、隔離材質或以不同方式影響天線性能的其他材料殼體內。尤有甚者，行動電話中還常設置有數個可能互相干擾的天線。

小型天線最重要的參數是天線效率(Antenna Efficiency)。此數據表明有多少發射功率實際輻射到空間，或者說輸向天線的輻射有多少能到達接收機。通過優化來盡可能提高天線效率，就可能直接影響許多重要參數，如覆蓋範圍、電池壽命及上行和下行連接的位元錯誤率(Bit Error Rate, BER)。對於小型天線來說，這類模擬很難用軟體進行。

也因為大多數小型天線必須在多個頻道、甚至數個頻段具有較高的效率，因此在無線產品的開發及驗證期間，就須要進行大量測量工作。若設計人員能運用較快的量測方法來驗證產品性能，就有可能進而使其新產品更快於其他公司推向市場，從而增強競爭力。

微波暗室力有未逮

回溯相關演進，微波暗室(Anechoic Chamber)是在二次大戰期間為測量雷達天線而發展，此一方法適於測量大型天線，包括雷達天線、微波通訊天線、衛星天線等皆可量測。這類大型天線的共同點在於它們都是用在很少干擾或反射的環境中，亦即可視範圍(Line-of-sight, LOS)。基於傳統需求，在沒有替代方法的情況下，開發小型天線的群體亦使用微波暗室進行測量。

不過，在90年代末期，開始有人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。如當時在Chalmer理工學院天線小組工作的Per-Simon Kildal就發現，由於小型天線或具有小型天線的無線終端(如行動電話)通常用在室內或都市環境等多反射的環境中，因此傳統微波暗室測量天線的方法完全不適用。圖1是Kildal早期設計微波混響室(Reverberation Chamber)之草圖。

圖1　Per-Simon Kildal的微波混響室草圖

值此同時，某些公司已經開始對具有多天線的終端設備產生興趣，亦即分集(Diversity)系統或多重輸入多重輸出終端(MIMO Terminal)。這類設備有可能增加移動寬頻系統的頻譜效率和數據傳輸率。在無反射的環境，如微波暗室中，分集或MIMO系統不可能起作用；但在微波混響室中卻能很容易、快速的測量出它們的分集增益或MIMO容量。此外，微波混響室的尺寸遠小於微波暗室，因此價格也更低廉。

測量天線的傳統方法是在微波暗室中進行，亦即沒有任何反射，這對通常用於可視範圍的大型天線十分適合；但對用於室內或都市這類存在有大量反射環境的小型天線來說，並不合適。多重反射的環境，更符合無線產品於實際環境的使用，如微波混響室就是一例。

微波混響室抬頭

微波混響室使用瑞利衰落理論(Rayleigh Fading)來模擬無線產品於實際環境的情形，而微波混響室的規模遠小於微波暗室，但其測量速度卻遠快於微波暗室。

這種新技術之所以吸引越來越多業界的興趣，在於它的另一個優點--提供對具有多天線產品的分集增益(Diversity Gain)和MIMO通訊容量(Capacity)進行直接測量的可能性。原先的測量方法是實際依循同一環境路線驅車多次，以測量訊號好壞；然而該方法既複雜又不可靠，因此目前多以微波混響室為較佳方案。

微波混響室技術已在通訊業界引發不少話題，諸如HSPA、全球微波存取互通介面(WiMAX)、長程演進計畫(Long Term Evolution, LTE)相關業者都陸續開始思考採用微波混響室進行小型多天線系統的特性測量。

事實上，早在30多年前，就有業者開始應用微波混響室，或稱攪模室(Mode-Stirred Chamber)來進行電氣設備的電磁相容測量(EMC)，用以確定電氣設備的輻射量，以免干擾其他電氣設備。微波混響室通常是一個具有某種攪模機構、與不同三維尺度的金屬盒子，也有人稱之為「腔體」。當腔體被一個或數個天線在適當頻率激發時，將會產生一定數量的駐波模式。

將被測物放入腔體中，可以確保它所產生的全部輻射都保留在腔體內，再透過使用可動金屬板(通常為旋轉漿葉)，即可改變腔體內駐波模式的邊界條件，並保證無論輻射向何方，都可以檢測到輻射功率。

用於EMC測量的微波混響室，其測量精度通常不超過3dB的標準差(Standard Deviation, STD)。這樣的精準度對EMC測量已經足夠，但對測量天線的效率、輻射功率或接收靈敏度而言，仍有所不足。

都市環境干擾多　微波混響室助益大

談完了微波暗室與微波混響室的應用差異，接下來則介紹微波混響室的作業原理。一般來說，在運用微波混響室時，大多會將被測量的天線或無線終端放在微波混響室內轉台上。待測設備(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一壁面至少二分之一波長的距離即可。

第二步則是測量待測物與三個相互正交的壁單極子天線間傳輸功率或傳輸系數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的計算作更詳細的講解。

為了提升量測技術，並針對不同環境進行應用，日前已有業者開發出與傳統EMC微波混響室不同之高性能微波混響室。其主要區別在於，後者針對同樣尺寸大小的腔體，能產生更多獨立取樣數，而其關鍵技術在於採用了多個相互獨立的攪模技術(圖2)。

圖2　標準微波混響室示意圖。網路分析儀一端通過選擇開關與互相垂直的三個單極天線相連，另一端與混響室內的二極子天線相連，二極子天線則置於轉台支架上。

相關攪模技術細節包括：由兩個正交金屬片構成的機械攪模器，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目的獨立場分布。並透過平台攪動，讓待測物在腔體內進行圓周移動，以測到更多的獨立取樣。再使用三個固定、相互正交的單極子天線，測量全部天線上的訊號功率，可將測得的獨立取樣數增加三倍之譜。最後，在頻率上進行平均頻率攪模，將能進一步提高測量精度，但同時也會降低頻率分辨度。

一般來說，與波長相比，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，至於從400MHz開始測量，則需要大約為2.0公尺×2.5公尺×3.0公尺的微波混響室。

如果能獲得足夠大量的獨立模數，將可證明待測物能感受到各方向同性的入射狀況，換句話說，測量人員能測得天線或行動電話在所有方向上的性能。這一特點被用於天線效率、總輻射功率(TRP)及總全向靈敏度(TIS)的測量。

在此時觀察待測物與壁單極子天線之間的功率，將會發現其呈現瑞利分布。當有大量彼此相互干擾的獨立平面波時，所能獲得的統計分布，將與人們在室內或都市中心常會遇到的統計衰落非常類似。因此，量測人員可以利用這一特點進行快速接收靈敏度測量，亦可用來估計分集增益與MIMO容量。

實際應用簡易　關鍵影響多

了解技術原理後，接下來則談談實際測量應用。首先需要一個已知輻射效率的天線執行參考測量。該天線的輻射效率可通過計算或執行其他暗室測量來獲得，這個測量程序與在微波暗室使用標準增益喇叭天線類似。通過首先測量參考天線可以獲得對微波混響室總損耗的估計，因而必須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能影響損耗的物件。

參考天線在腔體內的位置應至少離腔壁或攪模板0.5倍波長，離人腦模型一類的吸波材料0.7倍波長的距離。測量使用一台網路分析儀，在連續攪模狀態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1分鐘就可將此值測到小於0.5dB的標準差。由於已知參考天線的效率以及由參考測量獲得的接收功率，因此可以將接收功率歸化到假定參考天線具有100%效率時的接收功率，並稱之為功率P_ref。
一旦完成參考測量，就可以測量未知效率天線的效率。其過程與前述類似：將目前使用被測天線(Antenna Under Test, AUT)測得的功率記作P_AUT。這樣就可以使用下式計算未知天線的天線效率：

關於總輻射功率(TRP)，是由諸如行動電話向各方向發射的功率的全積分。此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的物體，例如行動電話機殼、人體等的影響。
在微波混響室中測量例如行動電話這類待測物的總輻射功率，須要將被測物置於轉台上，其位置至少應離腔壁0.5倍波長，離吸波材料0.7倍波長的距離。將一個基地台模擬器連到三個固定天線。現在可以在基地台模擬器與行動電話之間建立通訊聯絡。在測量行動電話時通常須要使用特殊的SIM卡，一旦呼叫成功，基地台模擬器將命令行動電話輸出最大功率。其後測量行動電話與固定天線之間的功率。由基地台模擬器測量它所接收到的功率。從參考測量我們已經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行這一測量並達到小於0.5dB的標準差，只需1分鐘。

全向靈敏度(TIS)是通過天線到達接收機的功率在所有方向上的積分。這一靈敏度同樣受到接收機靈敏度、接收機與天線間的失配、天線效率以及在天線附近會對其損耗作出貢獻的物體，如行動電話機殼、人體等的影響。
在微波混響室中測量TIS，被測設備須要用與前面描述類似的方法放置。一旦呼叫成功，基地台模擬器將按給定低功率發送位元流(Bit Stream)給行動電話，並命令行動電話在接收全部數據、以及確定沒有進一步的位元誤差出現在上行連接後，以最大功率回傳同樣數據。基地台模擬器將接收到的回傳位元流與原始數據加以比較，以GSM電話為例，如果位元誤碼率低於2.4%，則由基地台模擬器送出的功率將繼續降低，直到找到與2.4%位元誤碼率相對應的發射功率為止。此功率減去微波混響室的損耗，即是在位元誤碼率為2.4%時的接收功率。如此一來，對每個攪模器位置重複相關測試，通過對所有測量進行平均就可能求得TIS數值
一般來說，TIS的測量應當在沒有衰落或靜態環境中進行，這可能是由於習慣上使用微波暗室進行測量的緣故。雖然在微波混響室內亦可進行靜態測量，只要將所有攪模機構固定位置再測量誤碼率即可，不過這樣會使得在微波混響室內測量TIS也需要很長時間。
不過，微波混響室亦提供在連續衰落環境下測量接收機靈敏度的可能性，這樣的可能性也更加接近真實情況。這種情況稱作平均衰落靈敏度(Average Fading Sensitivity, AFS)。這項測量與前面描述的測量方法類似，其不同點在當全部攪模機構都在移動時，測量基地台模擬器輸出給定功率時的平均誤碼率。經由測試得知，在AFS與TIS之間有一個固定差值，就是TIS可以由AFS來估算。而若是選擇適當的測試方法與儀器，AFS可以在大約5分鐘內測出；如果只想測量某個天線配置下的相對接收靈敏度，也只需要1分鐘。

分集技術是基於多支處於不同衰落的天線，其接收總和的應用。藉由選用不同訊號的組合，即使在最差的1%衰落，天線的分集增益依然可以提升到10dB。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，模擬多天線配置的裝置經過衰落環境。
然而，問題是，當設計人員意欲得到天線最佳化的配置時，環境衰落卻不斷變化，使得設計人員永遠無法得知所得到的測試結果，究竟是因為環境變化，還是天線配置改變所導致。
另外，也可以藉由在電波暗室的量測得到天線分集增益。實作上，個別測量多天線組中每一支天線增益，在量測完成後利用軟體加入各種衰落類型，將得以估算分集增益。不過這會耗費較長的時間，動輒需要數小時。
當然，一個有效的替代方案是使用可重現瑞利衰落的微波混響室，將天線組如前所述的方法置入混響室，並使用多埠網路分析儀測量天線組內各天線端的振幅與相位，以及混響室內三個固定天線的散射參數S_1j；對於具有兩支天線的分集系統，S₁₂與S₁₃可同時量測得到。
個別天線將對低於特定的衰落準位，分別顯示特定的發生機率，這樣的機率稱為累計分布函數(Cumulative Distribution Probability, CDP)。藉由每個時間點所量到的S₁₂與S₁₃最佳值形成的CDP就是所謂的選用組合。而再取用S₁₂或S₁₃之間任何一個CDP與選用組合CDP的差值，將可估算表象分集增益。
然而，最重要的參數是與理想天線相比所能增加的增益，也就是說，具有100%效率天線的CDP與選擇組合的CDP相比，所能增加的增益，即為有效分集增益(Effective Diversity Pain)。如果與具有損耗的實際天線CDP相比，則稱為實際分集增益(Actual Diversity Gain)。
對於互耦性強的天線配置如非常接近的偶極天線，天線效率將變得非常低，意味著看來似乎很好的分集增益，實際上在比較單一天線特性已經不同。
在圖3中可以看出，兩支900MHz的偶極天線間，相距11毫米時，在1%的機率準位，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%的時間內)，實際上將損失訊號強度。在使用偶極天線時，有效分集增益與實際分集增益非常相近，因為典型二極振子天線的效率大約為95%。圖3中的線A為單一偶極天線對應100%輻射效率的衰落，線A與選用組合差值如圖中箭頭所示，而各線與選用組合的差值即有效分集增益，亦如圖中箭頭所示。

圖3　兩平行偶極天線在900MHz分別相距11毫米與50毫米時，其表象與有效分集增益。

MIMO是一項新技術，它在發射端及接收端均使用多天線，如此一來可以增加傳輸速率(Throughput)以供未來無線通訊系統所使用。為了增加傳輸率，多天線系統的必要條件是：這些天線彼此間的相關性越低越好。由於無線通訊必定在具有衰落的環境中進行，所以存在許多不相關的傳輸路徑，衰落路徑自然越多越好。再者，天線應用最重要的參數為輻射效率，由前面分集增益的案例得知，天線靠得越近輻射效率會越低。而在混響室中，可測量MIMO天線與三個固定天線間在近似瑞利衰落環境中傳輸通道的變化狀況(亦即通道矩陣H)。得知此一矩陣，就可以使用夏儂(Shannons)容量公式計算通訊容量：