無線手持式設備天線測試技術

杜 昊，覃一乘，劉 巍，彭 瀟

（國家無線電監測中心檢測中心，北京 100041）

無線手持式設備天線測試技術

杜 昊，覃一乘，劉 巍，彭 瀟

（國家無線電監測中心檢測中心，北京 100041）

隨著無線手持式設備的快速換代，需要無線測試系統及時跟進以滿足市場需求。本文展示了過去一段時間內無線手持式設備的發展，講述了今天智能手機天線的特性及測試中面臨的問題，介紹了OTA天線測試的概念和相關標準組織對OTA測試的要求，并分析了2種OTA測試的解決方案及其優缺點。其中，原場靜音暗室是日前主流的解決方案，但該系統投資巨大、建設難度大、且SISO暗室不通過升級不能測試帶MIMO的終端；而混響暗室方案以其測速快、體積小、可以測試MIMO終端等優勢受到了業界的廣泛關注，并且于2011年12月通過了3GPP的認可。

無線手持式設備；OTA測試；MIMO

1 引言

無線手持式設備的天線具有低功耗、小尺寸、多頻帶的特點，其復雜性持續增加，在滿足自由空間中盡可能輻射大功率保障天線有效性的OTA指標的同時，必須最小化輻射至人頭部的功率。

現階段使用的電磁仿真系統，可以仿真復雜環境中手持式設備的天線模型，即可以仿真人類肢體對天線的影響（例如人頭，人手等），也可以仿真其他元器件對天線的影響（例如攝像頭、電池、顯示屏、擴音器等）。同時，測試系統和方法的研究進展主要集中在LTE和MIMO天線系統的輻射性能方面。手持式設備天線測試技術的研究不但對于設備生產廠商減少產品成本有益，同時保障了天線設計性能。

2 手持式移動電話機的演進

手持式移動電話始于20世紀70年代，從20世紀80年代開始成為日用品。移動電話從模擬到數字，從單頻帶到多頻帶等顯著的技術變化迅速出現，不斷的技術進步最終產生了LTE技術。

2.1 頻帶數量的增加

每一代新的無線通信標準將使用一些新的頻帶，但新一代技術可以覆蓋之前標準的一些頻帶，這減小了天線設計者的負擔。第一代手持式設備的天線設計用于單一的頻帶，但隨著新技術帶來的頻帶數量的增加，要求必須有多頻帶天線。隨著移動市場的越來越普及和人們全球旅行的增多，設備需要具備漫游功能。為了滿足不同市場的用戶使用相同設備的要求，執行相同標準的設備其工作頻帶可以是不同的，手機如果在全球范圍內漫游則需要具備多頻段的工作能力。因此，設計多頻帶天線能夠在這些頻帶工作且具備優越的性能是必要的。

2.2 工業設計對天線的影響

過去對很多人而言，移動手持式設備僅僅是一種通信的方式，他們不關注設備的大小、厚薄或是否輕便。而如今越來越多的人不僅關注移動手持式設備的功能，而且關注其工業設計。

在20世紀，移動手持式設備的天線大多是外置的。設備天線位于手機的頂端，可拉伸或者螺旋型伸縮，如圖1所示。21世紀初，移動手持式設備逐步演變為天線內置，新的設計需要天線工程師、射頻工程師、甚至音頻工程師一同努力。內置的集成天線帶來的信噪比需要控制，且受制于手機的形狀。

圖1 幾代移動通信設備

3 天線測試方法及指標

天線性能是終端整機質量的重要標志。對于移動手持式設備的天線，單純的無源測試無法考察其在典型工作狀態下的輻射性能，而有源測試則側重從手機整機的發射功率和接收靈敏度方面考察手機的輻射性能，更能直接地反映手機整機的輻射性能。

3.1 OTA測試

OTA（over the air）測試屬于有源測試。移動手持式設備的入網測試要求進行完整的天線性能測試，包括總輻射功率（TRP）測試和總全向靈敏度（TIS）測試。OTA是由CTIA（美國無線通信和互聯網協會）制定的側重整機輻射性能方面的測試標準，是手機廠商和運營商認可的測試項目。當前在手機射頻性能測試中越來越關注整機輻射性能的測試，而輻射性能反映了手機最終的發射和接收性能。

OTA測試是在特定微波暗室內進行。測試整機在三維空間的輻射功率和接收靈敏度，現在也注重如衰落靈敏度、分集增益、吞吐量等參數。較之傳統的天線測試方法（無源測試），它可以用測試數據直觀地表示出天線在整機中最終的輻射發射功率和接收靈敏度。在手機通話時，由于人腦和人手都靠近手機天線，手機整機輻射的發射和接收性能都會降低。因此，利用整機測試考察手機最終的輻射性能。

3.2 OTA測試參數

OTA測試中的主要測試參數有：發射總功率（TRP）用來表示當一個天線連接至發射器時能輻射出多少功率。接收靈敏度（TIS）被定義為接收機維持一個可靠地通信鏈路時，需要接收到的最小功率。例如：GSM的通信鏈路可靠性被定義為BER（誤比特率），一般為2.4%。平均衰落靈敏度（AFS），分集增益和MIMO系統吞吐量也將成為被測試的參數。

3.3 OTA測試相關標準

美國CTIA是最早制定OTA測試標準的組織，也有其他的組織參與了該領域的標準制定。這些組織主要有3GPP（第三代合作伙伴項目）、PTCRB（PCS型號認證委員會）、GCF（全球認證論壇）和CCSA（中國通信標準化協會）。

3.4 OTA測試中使用的模型

運營商對于OTA測試的要求在不斷改進。最終，不論是運營商還是手機制造商，都認識到需要模擬手機在真實的環境中被放在人頭旁邊時的通信性能。因為廠商不可能使用無數真實的人進行測試，因此需要研發標準化的人頭和人手模型用于測試。CTIA專門成立一個子組用于設計人頭和人手模型標準，以實現在可控實驗室環境內測試的一致性和可靠性。

圖2 用于OTA測試的SAM人頭模型

這種標準化的人頭模型，叫做SAM（特定擬人化人體模特），于2002年第一次引入標準，見圖2。塑料外殼當中的材料具有特殊的電氣性能，介電常數和導電性模式化為非常接近真實的人頭。

標準化人頭模型的引入對于手機設計的優化和改變有很大幫助。有一個案例是，當運營商AT&T改變了測試蜂窩天線的需求，從自由空間到通話位置（手機緊靠著人頭模型），為了提出有吸引力的手機設計并且滿足運營商的OTA測試性能需求和其他法規，摩托羅拉設計了一款天線位于手機底部的輕薄手機。將天線安置于手機底部的方法，可以在手機保持輕薄的同時，滿足運營商在低頻（824MHz–894MHz）所要求的OTA性能指標。

3.5 原場靜音暗室加多探頭

三維測量系統主要由暗室、高精度定位系統及其控制器、射頻測試儀器和帶自動測試程序的個人電腦構成。主要射頻儀器有通用無線通信測試儀、頻譜儀、網絡分析儀等。

為滿足手機應用對網絡的性能要求，無線標準演進增加了MIMO技術。現有的原場靜音暗室的OTA性能測試針對SISO天線，為了在暗室中模擬出多徑效果，提出了在現有微波暗室內加多探頭的OTA測試解決方案。雙通道法是驗證MIMO設備OTA性能的一個有效的解決方案。現實環境中會有各種的入射角和極化的統計分布，要表征天線的相關性，只需選用兩個通道各自代表不同的方向角和極化方向，選取適當的測試參數便可完全地描述出接收天線的輻射特性。

3.6 混響室測試系統

混響暗室測試OTA解決方案于2011年l2月通過了3GPP的認可。混響室（reverberation chamber）是使用瑞利衰落理論來仿真無線產品于實際環境的情形，混響暗室得益于其室內是多徑的環境，可直接測量分集增益、MIMO系統容量和吞吐量等參數，而且其測試速度也遠快于原場靜音暗室。混響暗室系統支持人頭人手的OTA測量，其測試方法較靜音暗室簡單，將被測量的天線或無線終端放在微波混響室內的轉臺上。微波混響室通常是一個具有某種攪模機構的金屬盒子或腔體，在僅僅測試TRP，TIS等參數時，在腔體內一般放置三根天線，當它被這些天線在適當頻率激發時，將會產生一定數量的駐波模式。通過調動腔體內的三維金屬板，使其按照一定的速度移動，可以改變腔體內駐波模式的邊界條件，就可以保證無論輻射向哪個方向發射，都可以檢測到輻射功率。微波混響室的測量精度通常不超過3dB的標準差（STD）。這一精度對于測量天線的效率、輻射功率或接收靈敏度而言，不確定度還稍顯偏高。但是得益于其室內多徑的環境，微波混響室中能很容易、快速地測量出分集增益、MIMO容量等參數。也正由于此，該系統不能得到手機的方向圖。

3.7 方法比較

原場靜音暗室測試系統是現今比較成熟的OTA測試解決方案，其測試精度高、準確性強，測試結果是業界公認的。原場暗室加多探頭的方案雖然可以很好地解決MIMO終端的測試問題，但是由此也帶來了成本的成倍上漲和測試精度降低的問題。新興的混響暗室方案測試速度快、建造成本低，同時具備一些原場暗室不具備的優勢（如可以測試吞吐量、分集增益等），越來越受到業界的青睞。如果單從測試精度上看，目前國內外的標準組織也沒有提供惟一的精度值。CTIA，3GPP等標準組織采用的方法是，根據各個實驗室提供的參數值進行加權平均，然后設置一個置信度范圍，認為在這個范圍內的測試結果都是合格的。因此如從這方面考慮，不能判斷各個方案的孰優孰劣。目前的情況是，混響暗室測得的TRP，TIS等參數值與傳統原場暗室測得的值相差都在3dBm范圍之內，這個值是在認可范圍內的。

4 結束語

移動終端需要具備很好的輻射射頻特性和接收特性，才能保證良好的通信服務質量。隨著市場的不斷成熟，對終端進行整機性能的OTA測試顯得越來越重要，尤其是對帶Wi-Fi，MIMO，GPS等無線功能的終端進行整機性能的OTA測試，其結果更符合實際情況。及時跟蹤標準組織制定的規范技術，對于第三方檢測機構跟蹤市場的發展有重要作用。

[1] 唐偉生，謝澤明．TD-SCDMA終端OTA測試系統的設計．微計算機信息，2010(26)：116～118

[2] CTIA．Test Plan for Mobile Station over the Air Performance．Method of Measurement for Radiated RF Power and Receiver Performance，Revision Number 3.2.3 2014

[3] ‘Motorola Executive Helped spur Cellphone Revolution,’ WallStreet Journal, p. A10, 2009

北斗高精度手機即將步入普通百姓生活

目前市場上的智能手機全部配備了美國GPS衛星定位芯片，手機通過GPS衛星定位和各類基于位置服務的APP應用程序為用戶提供涵蓋吃、住、行等便利服務。

蘋果等公司承認參與美國“棱鏡門”計劃，美國情報機構可以直接進入谷歌、蘋果、微軟等多家美國互聯網公司的服務器，獲取用戶數據，對特定目標進行監視。“棱鏡門”事件曝光后，各國政府及國家涉及經濟命脈的公共基礎設備行業都加強了對信息安全的防范和風險控制；2014年7月央視報道稱美國蘋果公司的iPhone手機通過GPS衛星定位技術記錄用戶常去地點及第三方應用收集用戶位置信息，并將這些位置信息回傳至蘋果公司總部服務器。這引起普通民眾對個人隱私安全的擔憂。

日前，由我國衛星導航產業標桿企業聯合研發的首款北斗高精度手機正式面市，該款手機由上海北斗衛星導航平臺有限公司、泰斗微電子和中興通訊歷時近一年時間共同研制。該北斗手機采用我國自主研制的北斗衛星定位芯片，融合北斗地面增強系統，實現了開闊環境下 0.5米～0.7米、城市綜合道路環境下3米～5米精度的定位能力，比現有的GPS手機10米～20米的定位精度有大幅提高。并且該手機為手機應用開發者提供了非常簡便的開發編程接口，供開發者根據不同應用場景開發出高精度的LBS應用軟件，提升用戶體驗。

該款手機的通信模塊、定位模塊、高精度定位服務全部由國內企業研制，可以在國內經濟命脈行業、政府部門使用，同時也免除了民眾對個人隱私泄漏的擔憂。該款北斗高精度手機研發成功標志著我國在高精度定位芯片和高精度衛星定位關鍵技術方面取得了重大突破，這不僅能為我國自主研發的定位芯片和衛星定位終端打開廣闊的市場，推動我國北斗導航與位置服務產業的快速發展，同時也意味著我國北斗高精度手機即將進入普通百姓的日常生活。

Advances in Antenna Technology for Wireless Handheld Devices

Du Hao, Qin Yicheng, Liu Wei, Peng Xiao
(The State Radio Monitoring Center Testing Center, Beijing, 100041)

The constant evolution of wireless handheld devices together with the apparition of multiple wireless communication systems fosters the antenna community to design new radiating and measurements systems capable of satisfying the market demands. It is an object of the present paper to provide an overview of the evolution that wireless handheld technology has experienced in the last years. Introduced the concept of OTA and requirements made by relevant standards. In addition，two solutions of OTA test are analyzed in detail. The original field electromagnetic anechoic chamber，one of the schemes，is a popular solutions. However it needs huge investment，high diffculty in construction and unable to test MIMO terminal without upgrading, but the MIMO terminals will be more and more popular in LTE time. While the reverberation chamber enjoys a high reputation with its high test speed，small size and the ability to test MIMO terminal. Furthermore, this solution is authorized by 3GPP in 2011 December.

wireless handheld devices; OTA Test; MIMO

10.3969/j.issn.1672-7274.2014.12.003

TN82，TN92文獻標示碼：B

1672-7274（2014）12-0016-04

“科技北京”百名領軍人才培養工程－宋起柱資助項目（LTE有源天線組網技術研究與驗證），國家科技重大專項基金資助項目（2013ZX03001018-005）。

杜 昊，男，1985年生，碩士，工程師，主要研究方向為無線電檢測技術。

覃一乘，男，1984年生，碩士，中級工程師，主要研究方向為無線電管理、公眾移動通信應用。

劉 巍，男，1982年生，學士，中級工程師，主要研究方向為無線電檢測電磁兼容技術、無線電檢測。

彭 瀟，男，1983年生，碩士，中級工程師，主要研究方向為認知無線電、公眾移動通信技術。