杜 昊，覃一乘，劉 巍，彭 瀟

（國家無線電監(jiān)測中心檢測中心，北京 100041）

無線手持式設(shè)備天線測試技術(shù)

杜 昊，覃一乘，劉 巍，彭 瀟

（國家無線電監(jiān)測中心檢測中心，北京 100041）

隨著無線手持式設(shè)備的快速換代，需要無線測試系統(tǒng)及時跟進(jìn)以滿足市場需求。本文展示了過去一段時間內(nèi)無線手持式設(shè)備的發(fā)展，講述了今天智能手機(jī)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(guān)標(biāo)準(zhǔn)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(yōu)缺點(diǎn)。其中，原場靜音暗室是日前主流的解決方案，但該系統(tǒng)投資巨大、建設(shè)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(yōu)勢受到了業(yè)界的廣泛關(guān)注，并且于2011年12月通過了3GPP的認(rèn)可。

無線手持式設(shè)備；OTA測試；MIMO

1 引言

無線手持式設(shè)備的天線具有低功耗、小尺寸、多頻帶的特點(diǎn)，其復(fù)雜性持續(xù)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(biāo)的同時，必須最小化輻射至人頭部的功率。

現(xiàn)階段使用的電磁仿真系統(tǒng)，可以仿真復(fù)雜環(huán)境中手持式設(shè)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(kuò)音器等）。同時，測試系統(tǒng)和方法的研究進(jìn)展主要集中在LTE和MIMO天線系統(tǒng)的輻射性能方面。手持式設(shè)備天線測試技術(shù)的研究不但對于設(shè)備生產(chǎn)廠商減少產(chǎn)品成本有益，同時保障了天線設(shè)計性能。

2 手持式移動電話機(jī)的演進(jìn)

手持式移動電話始于20世紀(jì)70年代，從20世紀(jì)80年代開始成為日用品。移動電話從模擬到數(shù)字，從單頻帶到多頻帶等顯著的技術(shù)變化迅速出現(xiàn)，不斷的技術(shù)進(jìn)步最終產(chǎn)生了LTE技術(shù)。

2.1 頻帶數(shù)量的增加

每一代新的無線通信標(biāo)準(zhǔn)將使用一些新的頻帶，但新一代技術(shù)可以覆蓋之前標(biāo)準(zhǔn)的一些頻帶，這減小了天線設(shè)計者的負(fù)擔(dān)。第一代手持式設(shè)備的天線設(shè)計用于單一的頻帶，但隨著新技術(shù)帶來的頻帶數(shù)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?nèi)蚵眯械脑龆?，設(shè)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(shè)備的要求，執(zhí)行相同標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備其工作頻帶可以是不同的，手機(jī)如果在全球范圍內(nèi)漫游則需要具備多頻段的工作能力。因此，設(shè)計多頻帶天線能夠在這些頻帶工作且具備優(yōu)越的性能是必要的。

2.2 工業(yè)設(shè)計對天線的影響

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

在20世紀(jì)，移動手持式設(shè)備的天線大多是外置的。設(shè)備天線位于手機(jī)的頂端，可拉伸或者螺旋型伸縮，如圖1所示。21世紀(jì)初，移動手持式設(shè)備逐步演變?yōu)樘炀€內(nèi)置，新的設(shè)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(nèi)置的集成天線帶來的信噪比需要控制，且受制于手機(jī)的形狀。

圖1 幾代移動通信設(shè)備

3 天線測試方法及指標(biāo)

天線性能是終端整機(jī)質(zhì)量的重要標(biāo)志。對于移動手持式設(shè)備的天線，單純的無源測試無法考察其在典型工作狀態(tài)下的輻射性能，而有源測試則側(cè)重從手機(jī)整機(jī)的發(fā)射功率和接收靈敏度方面考察手機(jī)的輻射性能，更能直接地反映手機(jī)整機(jī)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(shè)備的入網(wǎng)測試要求進(jìn)行完整的天線性能測試，包括總輻射功率（TRP）測試和總?cè)蜢`敏度（TIS）測試。OTA是由CTIA（美國無線通信和互聯(lián)網(wǎng)協(xié)會）制定的側(cè)重整機(jī)輻射性能方面的測試標(biāo)準(zhǔn)，是手機(jī)廠商和運(yùn)營商認(rèn)可的測試項目。當(dāng)前在手機(jī)射頻性能測試中越來越關(guān)注整機(jī)輻射性能的測試，而輻射性能反映了手機(jī)最終的發(fā)射和接收性能。

OTA測試是在特定微波暗室內(nèi)進(jìn)行。測試整機(jī)在三維空間的輻射功率和接收靈敏度，現(xiàn)在也注重如衰落靈敏度、分集增益、吞吐量等參數(shù)。較之傳統(tǒng)的天線測試方法（無源測試），它可以用測試數(shù)據(jù)直觀地表示出天線在整機(jī)中最終的輻射發(fā)射功率和接收靈敏度。在手機(jī)通話時，由于人腦和人手都靠近手機(jī)天線，手機(jī)整機(jī)輻射的發(fā)射和接收性能都會降低。因此，利用整機(jī)測試考察手機(jī)最終的輻射性能。

3.2 OTA測試參數(shù)

OTA測試中的主要測試參數(shù)有：發(fā)射總功率（TRP）用來表示當(dāng)一個天線連接至發(fā)射器時能輻射出多少功率。接收靈敏度（TIS）被定義為接收機(jī)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(tǒng)吞吐量也將成為被測試的參數(shù)。

3.3 OTA測試相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

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

3.4 OTA測試中使用的模型

運(yùn)營商對于OTA測試的要求在不斷改進(jìn)。最終，不論是運(yùn)營商還是手機(jī)制造商，都認(rèn)識到需要模擬手機(jī)在真實的環(huán)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(shù)真實的人進(jìn)行測試，因此需要研發(fā)標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計人頭和人手模型標(biāo)準(zhǔn)，以實現(xiàn)在可控實驗室環(huán)境內(nèi)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)，見圖2。塑料外殼當(dāng)中的材料具有特殊的電氣性能，介電常數(shù)和導(dǎo)電性模式化為非常接近真實的人頭。

標(biāo)準(zhǔn)化人頭模型的引入對于手機(jī)設(shè)計的優(yōu)化和改變有很大幫助。有一個案例是，當(dāng)運(yùn)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(jī)緊靠著人頭模型），為了提出有吸引力的手機(jī)設(shè)計并且滿足運(yùn)營商的OTA測試性能需求和其他法規(guī)，摩托羅拉設(shè)計了一款天線位于手機(jī)底部的輕薄手機(jī)。將天線安置于手機(jī)底部的方法，可以在手機(jī)保持輕薄的同時，滿足運(yùn)營商在低頻（824MHz–894MHz）所要求的OTA性能指標(biāo)。

3.5 原場靜音暗室加多探頭

三維測量系統(tǒng)主要由暗室、高精度定位系統(tǒng)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(gòu)成。主要射頻儀器有通用無線通信測試儀、頻譜儀、網(wǎng)絡(luò)分析儀等。

為滿足手機(jī)應(yīng)用對網(wǎng)絡(luò)的性能要求，無線標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)增加了MIMO技術(shù)?，F(xiàn)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(xiàn)有微波暗室內(nèi)加多探頭的OTA測試解決方案。雙通道法是驗證MIMO設(shè)備OTA性能的一個有效的解決方案?，F(xiàn)實環(huán)境中會有各種的入射角和極化的統(tǒng)計分布，要表征天線的相關(guān)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(dāng)?shù)臏y試參數(shù)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(tǒng)

混響暗室測試OTA解決方案于2011年l2月通過了3GPP的認(rèn)可?；祉懯遥╮everberation chamber）是使用瑞利衰落理論來仿真無線產(chǎn)品于實際環(huán)境的情形，混響暗室得益于其室內(nèi)是多徑的環(huán)境，可直接測量分集增益、MIMO系統(tǒng)容量和吞吐量等參數(shù)，而且其測試速度也遠(yuǎn)快于原場靜音暗室。混響暗室系統(tǒng)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(nèi)的轉(zhuǎn)臺上。微波混響室通常是一個具有某種攪模機(jī)構(gòu)的金屬盒子或腔體，在僅僅測試TRP，TIS等參數(shù)時，在腔體內(nèi)一般放置三根天線，當(dāng)它被這些天線在適當(dāng)頻率激發(fā)時，將會產(chǎn)生一定數(shù)量的駐波模式。通過調(diào)動腔體內(nèi)的三維金屬板，使其按照一定的速度移動，可以改變腔體內(nèi)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。微波混響室的測量精度通常不超過3dB的標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)多徑的環(huán)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(shù)。也正由于此，該系統(tǒng)不能得到手機(jī)的方向圖。

3.7 方法比較

原場靜音暗室測試系統(tǒng)是現(xiàn)今比較成熟的OTA測試解決方案，其測試精度高、準(zhǔn)確性強(qiáng)，測試結(jié)果是業(yè)界公認(rèn)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(yōu)勢（如可以測試吞吐量、分集增益等），越來越受到業(yè)界的青睞。如果單從測試精度上看，目前國內(nèi)外的標(biāo)準(zhǔn)組織也沒有提供惟一的精度值。CTIA，3GPP等標(biāo)準(zhǔn)組織采用的方法是，根據(jù)各個實驗室提供的參數(shù)值進(jìn)行加權(quán)平均，然后設(shè)置一個置信度范圍，認(rèn)為在這個范圍內(nèi)的測試結(jié)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(yōu)孰劣。目前的情況是，混響暗室測得的TRP，TIS等參數(shù)值與傳統(tǒng)原場暗室測得的值相差都在3dBm范圍之內(nèi)，這個值是在認(rèn)可范圍內(nèi)的。

4 結(jié)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(wù)質(zhì)量。隨著市場的不斷成熟，對終端進(jìn)行整機(jī)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(jìn)行整機(jī)性能的OTA測試，其結(jié)果更符合實際情況。及時跟蹤標(biāo)準(zhǔn)組織制定的規(guī)范技術(shù)，對于第三方檢測機(jī)構(gòu)跟蹤市場的發(fā)展有重要作用。

[1] 唐偉生，謝澤明．TD-SCDMA終端OTA測試系統(tǒng)的設(shè)計．微計算機(jī)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(jī)即將步入普通百姓生活

目前市場上的智能手機(jī)全部配備了美國GPS衛(wèi)星定位芯片，手機(jī)通過GPS衛(wèi)星定位和各類基于位置服務(wù)的APP應(yīng)用程序為用戶提供涵蓋吃、住、行等便利服務(wù)。

蘋果等公司承認(rèn)參與美國“棱鏡門”計劃，美國情報機(jī)構(gòu)可以直接進(jìn)入谷歌、蘋果、微軟等多家美國互聯(lián)網(wǎng)公司的服務(wù)器，獲取用戶數(shù)據(jù)，對特定目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)視?！袄忡R門”事件曝光后，各國政府及國家涉及經(jīng)濟(jì)命脈的公共基礎(chǔ)設(shè)備行業(yè)都加強(qiáng)了對信息安全的防范和風(fēng)險控制；2014年7月央視報道稱美國蘋果公司的iPhone手機(jī)通過GPS衛(wèi)星定位技術(shù)記錄用戶常去地點(diǎn)及第三方應(yīng)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(wù)器。這引起普通民眾對個人隱私安全的擔(dān)憂。

日前，由我國衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)標(biāo)桿企業(yè)聯(lián)合研發(fā)的首款北斗高精度手機(jī)正式面市，該款手機(jī)由上海北斗衛(wèi)星導(dǎo)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(jī)采用我國自主研制的北斗衛(wèi)星定位芯片，融合北斗地面增強(qiáng)系統(tǒng)，實現(xiàn)了開闊環(huán)境下 0.5米～0.7米、城市綜合道路環(huán)境下3米～5米精度的定位能力，比現(xiàn)有的GPS手機(jī)10米～20米的定位精度有大幅提高。并且該手機(jī)為手機(jī)應(yīng)用開發(fā)者提供了非常簡便的開發(fā)編程接口，供開發(fā)者根據(jù)不同應(yīng)用場景開發(fā)出高精度的LBS應(yīng)用軟件，提升用戶體驗。

該款手機(jī)的通信模塊、定位模塊、高精度定位服務(wù)全部由國內(nèi)企業(yè)研制，可以在國內(nèi)經(jīng)濟(jì)命脈行業(yè)、政府部門使用，同時也免除了民眾對個人隱私泄漏的擔(dān)憂。該款北斗高精度手機(jī)研發(fā)成功標(biāo)志著我國在高精度定位芯片和高精度衛(wèi)星定位關(guān)鍵技術(shù)方面取得了重大突破，這不僅能為我國自主研發(fā)的定位芯片和衛(wèi)星定位終端打開廣闊的市場，推動我國北斗導(dǎo)航與位置服務(wù)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，同時也意味著我國北斗高精度手機(jī)即將進(jìn)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(xiàn)標(biāo)示碼：B

1672-7274（2014）12-0016-04

“科技北京”百名領(lǐng)軍人才培養(yǎng)工程－宋起柱資助項目（LTE有源天線組網(wǎng)技術(shù)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(shù)。

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(yīng)用。

劉 巍，男，1982年生，學(xué)士，中級工程師，主要研究方向為無線電檢測電磁兼容技術(shù)、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(rèn)知無線電、公眾移動通信技術(shù)。