无线手持式设备天线测试技术

杜 昊，覃一乘，刘 巍，彭 潇

（国家无线电监测中心检测中心，北京 100041）

无线手持式设备天线测试技术

杜 昊，覃一乘，刘 巍，彭 潇

（国家无线电监测中心检测中心，北京 100041）

随着无线手持式设备的快速换代，需要无线测试系统及时跟进以满足市场需求。本文展示了过去一段时间内无线手持式设备的发展，讲述了今天智能手机天线的特性及测试中面临的问题，介绍了OTA天线测试的概念和相关标准组织对OTA测试的要求，并分析了2种OTA测试的解决方案及其优缺点。其中，原场静音暗室是日前主流的解决方案，但该系统投资巨大、建设难度大、且SISO暗室不通过升级不能测试带MIMO的终端；而混响暗室方案以其测速快、体积小、可以测试MIMO终端等优势受到了业界的广泛关注，并且于2011年12月通过了3GPP的认可。

无线手持式设备；OTA测试；MIMO

1 引言

无线手持式设备的天线具有低功耗、小尺寸、多频带的特点，其复杂性持续增加，在满足自由空间中尽可能辐射大功率保障天线有效性的OTA指标的同时，必须最小化辐射至人头部的功率。

现阶段使用的电磁仿真系统，可以仿真复杂环境中手持式设备的天线模型，即可以仿真人类肢体对天线的影响（例如人头，人手等），也可以仿真其他元器件对天线的影响（例如摄像头、电池、显示屏、扩音器等）。同时，测试系统和方法的研究进展主要集中在LTE和MIMO天线系统的辐射性能方面。手持式设备天线测试技术的研究不但对于设备生产厂商减少产品成本有益，同时保障了天线设计性能。

2 手持式移动电话机的演进

手持式移动电话始于20世纪70年代，从20世纪80年代开始成为日用品。移动电话从模拟到数字，从单频带到多频带等显著的技术变化迅速出现，不断的技术进步最终产生了LTE技术。

2.1 频带数量的增加

每一代新的无线通信标准将使用一些新的频带，但新一代技术可以覆盖之前标准的一些频带，这减小了天线设计者的负担。第一代手持式设备的天线设计用于单一的频带，但随着新技术带来的频带数量的增加，要求必须有多频带天线。随着移动市场的越来越普及和人们全球旅行的增多，设备需要具备漫游功能。为了满足不同市场的用户使用相同设备的要求，执行相同标准的设备其工作频带可以是不同的，手机如果在全球范围内漫游则需要具备多频段的工作能力。因此，设计多频带天线能够在这些频带工作且具备优越的性能是必要的。

2.2 工业设计对天线的影响

过去对很多人而言，移动手持式设备仅仅是一种通信的方式，他们不关注设备的大小、厚薄或是否轻便。而如今越来越多的人不仅关注移动手持式设备的功能，而且关注其工业设计。

在20世纪，移动手持式设备的天线大多是外置的。设备天线位于手机的顶端，可拉伸或者螺旋型伸缩，如图1所示。21世纪初，移动手持式设备逐步演变为天线内置，新的设计需要天线工程师、射频工程师、甚至音频工程师一同努力。内置的集成天线带来的信噪比需要控制，且受制于手机的形状。

图1 几代移动通信设备

3 天线测试方法及指标

天线性能是终端整机质量的重要标志。对于移动手持式设备的天线，单纯的无源测试无法考察其在典型工作状态下的辐射性能，而有源测试则侧重从手机整机的发射功率和接收灵敏度方面考察手机的辐射性能，更能直接地反映手机整机的辐射性能。

3.1 OTA测试

OTA（over the air）测试属于有源测试。移动手持式设备的入网测试要求进行完整的天线性能测试，包括总辐射功率（TRP）测试和总全向灵敏度（TIS）测试。OTA是由CTIA（美国无线通信和互联网协会）制定的侧重整机辐射性能方面的测试标准，是手机厂商和运营商认可的测试项目。当前在手机射频性能测试中越来越关注整机辐射性能的测试，而辐射性能反映了手机最终的发射和接收性能。

OTA测试是在特定微波暗室内进行。测试整机在三维空间的辐射功率和接收灵敏度，现在也注重如衰落灵敏度、分集增益、吞吐量等参数。较之传统的天线测试方法（无源测试），它可以用测试数据直观地表示出天线在整机中最终的辐射发射功率和接收灵敏度。在手机通话时，由于人脑和人手都靠近手机天线，手机整机辐射的发射和接收性能都会降低。因此，利用整机测试考察手机最终的辐射性能。

3.2 OTA测试参数

OTA测试中的主要测试参数有：发射总功率（TRP）用来表示当一个天线连接至发射器时能辐射出多少功率。接收灵敏度（TIS）被定义为接收机维持一个可靠地通信链路时，需要接收到的最小功率。例如：GSM的通信链路可靠性被定义为BER（误比特率），一般为2.4%。平均衰落灵敏度（AFS），分集增益和MIMO系统吞吐量也将成为被测试的参数。

3.3 OTA测试相关标准

美国CTIA是最早制定OTA测试标准的组织，也有其他的组织参与了该领域的标准制定。这些组织主要有3GPP（第三代合作伙伴项目）、PTCRB（PCS型号认证委员会）、GCF（全球认证论坛）和CCSA（中国通信标准化协会）。

3.4 OTA测试中使用的模型

运营商对于OTA测试的要求在不断改进。最终，不论是运营商还是手机制造商，都认识到需要模拟手机在真实的环境中被放在人头旁边时的通信性能。因为厂商不可能使用无数真实的人进行测试，因此需要研发标准化的人头和人手模型用于测试。CTIA专门成立一个子组用于设计人头和人手模型标准，以实现在可控实验室环境内测试的一致性和可靠性。

图2 用于OTA测试的SAM人头模型

这种标准化的人头模型，叫做SAM（特定拟人化人体模特），于2002年第一次引入标准，见图2。塑料外壳当中的材料具有特殊的电气性能，介电常数和导电性模式化为非常接近真实的人头。

标准化人头模型的引入对于手机设计的优化和改变有很大帮助。有一个案例是，当运营商AT&T改变了测试蜂窝天线的需求，从自由空间到通话位置（手机紧靠着人头模型），为了提出有吸引力的手机设计并且满足运营商的OTA测试性能需求和其他法规，摩托罗拉设计了一款天线位于手机底部的轻薄手机。将天线安置于手机底部的方法，可以在手机保持轻薄的同时，满足运营商在低频（824MHz–894MHz）所要求的OTA性能指标。

3.5 原场静音暗室加多探头

三维测量系统主要由暗室、高精度定位系统及其控制器、射频测试仪器和带自动测试程序的个人电脑构成。主要射频仪器有通用无线通信测试仪、频谱仪、网络分析仪等。

为满足手机应用对网络的性能要求，无线标准演进增加了MIMO技术。现有的原场静音暗室的OTA性能测试针对SISO天线，为了在暗室中模拟出多径效果，提出了在现有微波暗室内加多探头的OTA测试解决方案。双通道法是验证MIMO设备OTA性能的一个有效的解决方案。现实环境中会有各种的入射角和极化的统计分布，要表征天线的相关性，只需选用两个通道各自代表不同的方向角和极化方向，选取适当的测试参数便可完全地描述出接收天线的辐射特性。

3.6 混响室测试系统

混响暗室测试OTA解决方案于2011年l2月通过了3GPP的认可。混响室（reverberation chamber）是使用瑞利衰落理论来仿真无线产品于实际环境的情形，混响暗室得益于其室内是多径的环境，可直接测量分集增益、MIMO系统容量和吞吐量等参数，而且其测试速度也远快于原场静音暗室。混响暗室系统支持人头人手的OTA测量，其测试方法较静音暗室简单，将被测量的天线或无线终端放在微波混响室内的转台上。微波混响室通常是一个具有某种搅模机构的金属盒子或腔体，在仅仅测试TRP，TIS等参数时，在腔体内一般放置三根天线，当它被这些天线在适当频率激发时，将会产生一定数量的驻波模式。通过调动腔体内的三维金属板，使其按照一定的速度移动，可以改变腔体内驻波模式的边界条件，就可以保证无论辐射向哪个方向发射，都可以检测到辐射功率。微波混响室的测量精度通常不超过3dB的标准差（STD）。这一精度对于测量天线的效率、辐射功率或接收灵敏度而言，不确定度还稍显偏高。但是得益于其室内多径的环境，微波混响室中能很容易、快速地测量出分集增益、MIMO容量等参数。也正由于此，该系统不能得到手机的方向图。

3.7 方法比较

原场静音暗室测试系统是现今比较成熟的OTA测试解决方案，其测试精度高、准确性强，测试结果是业界公认的。原场暗室加多探头的方案虽然可以很好地解决MIMO终端的测试问题，但是由此也带来了成本的成倍上涨和测试精度降低的问题。新兴的混响暗室方案测试速度快、建造成本低，同时具备一些原场暗室不具备的优势（如可以测试吞吐量、分集增益等），越来越受到业界的青睐。如果单从测试精度上看，目前国内外的标准组织也没有提供惟一的精度值。CTIA，3GPP等标准组织采用的方法是，根据各个实验室提供的参数值进行加权平均，然后设置一个置信度范围，认为在这个范围内的测试结果都是合格的。因此如从这方面考虑，不能判断各个方案的孰优孰劣。目前的情况是，混响暗室测得的TRP，TIS等参数值与传统原场暗室测得的值相差都在3dBm范围之内，这个值是在认可范围内的。

4 结束语

移动终端需要具备很好的辐射射频特性和接收特性，才能保证良好的通信服务质量。随着市场的不断成熟，对终端进行整机性能的OTA测试显得越来越重要，尤其是对带Wi-Fi，MIMO，GPS等无线功能的终端进行整机性能的OTA测试，其结果更符合实际情况。及时跟踪标准组织制定的规范技术，对于第三方检测机构跟踪市场的发展有重要作用。

[1] 唐伟生，谢泽明．TD-SCDMA终端OTA测试系统的设计．微计算机信息，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

北斗高精度手机即将步入普通百姓生活

目前市场上的智能手机全部配备了美国GPS卫星定位芯片，手机通过GPS卫星定位和各类基于位置服务的APP应用程序为用户提供涵盖吃、住、行等便利服务。

苹果等公司承认参与美国“棱镜门”计划，美国情报机构可以直接进入谷歌、苹果、微软等多家美国互联网公司的服务器，获取用户数据，对特定目标进行监视。“棱镜门”事件曝光后，各国政府及国家涉及经济命脉的公共基础设备行业都加强了对信息安全的防范和风险控制；2014年7月央视报道称美国苹果公司的iPhone手机通过GPS卫星定位技术记录用户常去地点及第三方应用收集用户位置信息，并将这些位置信息回传至苹果公司总部服务器。这引起普通民众对个人隐私安全的担忧。

日前，由我国卫星导航产业标杆企业联合研发的首款北斗高精度手机正式面市，该款手机由上海北斗卫星导航平台有限公司、泰斗微电子和中兴通讯历时近一年时间共同研制。该北斗手机采用我国自主研制的北斗卫星定位芯片，融合北斗地面增强系统，实现了开阔环境下 0.5米～0.7米、城市综合道路环境下3米～5米精度的定位能力，比现有的GPS手机10米～20米的定位精度有大幅提高。并且该手机为手机应用开发者提供了非常简便的开发编程接口，供开发者根据不同应用场景开发出高精度的LBS应用软件，提升用户体验。

该款手机的通信模块、定位模块、高精度定位服务全部由国内企业研制，可以在国内经济命脉行业、政府部门使用，同时也免除了民众对个人隐私泄漏的担忧。该款北斗高精度手机研发成功标志着我国在高精度定位芯片和高精度卫星定位关键技术方面取得了重大突破，这不仅能为我国自主研发的定位芯片和卫星定位终端打开广阔的市场，推动我国北斗导航与位置服务产业的快速发展，同时也意味着我国北斗高精度手机即将进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文献标示码：B

1672-7274（2014）12-0016-04

“科技北京”百名领军人才培养工程－宋起柱资助项目（LTE有源天线组网技术研究与验证），国家科技重大专项基金资助项目（2013ZX03001018-005）。

杜 昊，男，1985年生，硕士，工程师，主要研究方向为无线电检测技术。

覃一乘，男，1984年生，硕士，中级工程师，主要研究方向为无线电管理、公众移动通信应用。

刘 巍，男，1982年生，学士，中级工程师，主要研究方向为无线电检测电磁兼容技术、无线电检测。

彭 潇，男，1983年生，硕士，中级工程师，主要研究方向为认知无线电、公众移动通信技术。