終端生產(chǎn)中整機(jī)天線(xiàn)測(cè)試具體方案的研究

譚敏

(北京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子工程系，北京100015)

摘要：終端生產(chǎn)過(guò)程中的整機(jī)天線(xiàn)測(cè)試方案，滿(mǎn)足發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)一致性問(wèn)題的測(cè)試要求簡(jiǎn)單可行。對(duì)工廠耦合板測(cè)試的具體實(shí)施方案，如測(cè)試信號(hào)，測(cè)試頻點(diǎn)，發(fā)送功率，耦合板和被測(cè)天線(xiàn)的相對(duì)位置，門(mén)限等進(jìn)行研究，證明天線(xiàn)耦合板測(cè)試方案簡(jiǎn)便有效，切實(shí)可行，能真正起到在工廠生產(chǎn)階段發(fā)現(xiàn)終端整機(jī)天線(xiàn)問(wèn)題的作用。

關(guān)鍵詞：整機(jī)天線(xiàn)測(cè)試；生產(chǎn)一致性；天線(xiàn)耦合板；相對(duì)耦合位置；門(mén)限

收稿日期：2015-03-29

作者簡(jiǎn)介：譚敏(1975-),女，湖南湘鄉(xiāng)人，北京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子工程系講師，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)橐苿?dòng)通信。

中圖分類(lèi)號(hào)：TN87

0引言

在手持終端的生產(chǎn)過(guò)程中，為了保證產(chǎn)品的出廠品質(zhì)，往往需要檢測(cè)天線(xiàn)和相關(guān)電路與結(jié)構(gòu)的好壞。天線(xiàn)位于整個(gè)終端電路的最前端，它的性能在很大程度上決定了整機(jī)的性能。天線(xiàn)不良將導(dǎo)致終端收發(fā)信號(hào)變?nèi)?，直接影響通信的質(zhì)量，并增加整機(jī)的功耗。造成天線(xiàn)不良的原因有下面幾點(diǎn)：1. 天線(xiàn)匹配電路缺件或者虛焊；2. 天線(xiàn)本身品質(zhì)不良，屬于漏出廠的不良品或運(yùn)輸中被損壞；3. 天線(xiàn)與終端聯(lián)接接觸不良；4. 天線(xiàn)周?chē)娮咏Y(jié)構(gòu)有問(wèn)題。

終端整機(jī)天線(xiàn)測(cè)試的方法通常有微波暗室測(cè)試，TEM CELL(Transverse Electric and Magnetic cell)測(cè)試法。這兩種方法都旨在模擬一個(gè)理想空間的天線(xiàn)測(cè)試環(huán)境，一方面屏蔽消除外部干擾對(duì)天線(xiàn)的影響，另一方面用內(nèi)部的吸波材料吸收入射波，減小反射波。微波暗室天線(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)造價(jià)比較昂貴，一般要百萬(wàn)以上，對(duì)于手機(jī)天線(xiàn)的測(cè)試比較精確而且比較系統(tǒng)，其測(cè)試指標(biāo)可以用來(lái)衡量一個(gè)手機(jī)天線(xiàn)的性能的好與壞，主要在天線(xiàn)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證時(shí)使用。TEM CELL測(cè)試采用三角錐，由于空間限制，TEM CELL的吸波材料比較薄，對(duì)入射波的吸收不是很充分，因此會(huì)導(dǎo)致測(cè)試的結(jié)果不精確。TEM CELL的高度也不夠，導(dǎo)致被測(cè)終端與測(cè)量天線(xiàn)間的距離小于理論值。所以TEM CELL只能對(duì)天線(xiàn)做定性的而不能做定量的分析。工廠測(cè)試不同于天線(xiàn)設(shè)計(jì)或者驗(yàn)證階段的測(cè)試，關(guān)心的是整機(jī)天線(xiàn)的生產(chǎn)一致性問(wèn)題，不需要對(duì)整機(jī)天線(xiàn)性能做定性或者定量研究，簡(jiǎn)便經(jīng)濟(jì)型的方案最好。

1概述

針對(duì)我們關(guān)心的生產(chǎn)一致性問(wèn)題，整機(jī)天線(xiàn)收發(fā)功率的差異是一個(gè)很好的體現(xiàn)指標(biāo)，研究表明，該指標(biāo)采用近場(chǎng)測(cè)試就能達(dá)到。

天線(xiàn)耦合板能對(duì)多種形態(tài)(鞭狀，內(nèi)置)的整機(jī)天線(xiàn)進(jìn)行近場(chǎng)測(cè)試。耦合板與被測(cè)設(shè)備天線(xiàn)間間距可以很小，要求的夾具體積小，需要的屏蔽盒也小，整個(gè)天線(xiàn)測(cè)試的成本較低。

終端的結(jié)構(gòu)和天線(xiàn)一旦確定，近場(chǎng)就可以確定。我們的方案是：通過(guò)天線(xiàn)耦合板，近場(chǎng)測(cè)量天線(xiàn)發(fā)送或者接收的功率，與Golden Sample對(duì)比，來(lái)區(qū)分整機(jī)天線(xiàn)的好壞。這就要求我們結(jié)合測(cè)量精度，制定一個(gè)合理的門(mén)限標(biāo)準(zhǔn)，高于這個(gè)功率標(biāo)準(zhǔn)我們認(rèn)為產(chǎn)品符合生產(chǎn)要求，低于這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)說(shuō)明天線(xiàn)與相關(guān)器件有問(wèn)題。

以發(fā)送天線(xiàn)的測(cè)試為例，我們?cè)O(shè)計(jì)的方案如下：用測(cè)量?jī)x表(如羅德的MCU200)連接天線(xiàn)耦合板的高頻頭，設(shè)計(jì)夾具固定耦合板和手持終端的位置，兩者的相對(duì)位置需要實(shí)踐摸索，最后把夾具放入屏蔽盒中。測(cè)試時(shí)，終端天線(xiàn)發(fā)送功率，耦合板接收功率，通過(guò)耦合板連接的儀表得到接收功率的大小。考慮到功率耦合的插損和終端天線(xiàn)方向性等細(xì)微差異，設(shè)定一個(gè)接收功率的合理范圍，接收功率在該范圍內(nèi)，我們認(rèn)為終端天線(xiàn)部分優(yōu)良，否則認(rèn)為不良品。

2天線(xiàn)耦合板簡(jiǎn)介

天線(xiàn)耦合板是用于耦合測(cè)試儀器與被測(cè)無(wú)線(xiàn)終端設(shè)備，進(jìn)行相關(guān)測(cè)試的天線(xiàn)耦合器，內(nèi)部是平板天線(xiàn)。

我們采用的天線(xiàn)耦合板是TESCOM公司生產(chǎn)的TC-93020平板型(如下圖)，該耦合板的工作頻帶為80～2650MHz，耦合插損為8～20db，不同頻段耦合損耗有差異。

圖1　TC-93020A平板型天線(xiàn)耦合器

天線(xiàn)耦合板分測(cè)量區(qū)(圖1中深灰色部分)和裝配區(qū)(圖1中淺白色部分)。測(cè)量區(qū)是內(nèi)部平板天線(xiàn)所在的區(qū)域，也是接收功率的區(qū)域。裝配區(qū)則用于測(cè)試時(shí)固定安裝，既可將其本身固定至夾具中，也可在其上安裝固件來(lái)固定測(cè)試終端。

3具體測(cè)試方案

以LTE手持終端鞭狀天線(xiàn)的測(cè)試為例，測(cè)試連接簡(jiǎn)圖如下：

圖2　天線(xiàn)工廠測(cè)試連接簡(jiǎn)圖

具體的測(cè)試方案涉及多方面的設(shè)計(jì)，如測(cè)試信號(hào)，頻點(diǎn)，發(fā)送功率，耦合板和被測(cè)天線(xiàn)的相對(duì)位置，門(mén)限等。

對(duì)于發(fā)送天線(xiàn)，我們通常采用終端天線(xiàn)發(fā)(功率)，耦合板接收的方法來(lái)檢測(cè)，因?yàn)閮x表的測(cè)量精度相對(duì)高些。對(duì)只具備接收功能的單方向天線(xiàn)，就只能采取儀表發(fā)送(功率)，終端接收的方法來(lái)測(cè)量了。因?yàn)楣β实慕y(tǒng)計(jì)由終端完成，統(tǒng)計(jì)誤差相比儀表要大些，門(mén)限的制定也得寬些。

終端產(chǎn)品都有自己的工作頻段，選擇天線(xiàn)耦合板時(shí)，耦合板的工作頻段要涵蓋終端的工作頻段。我們選取終端工作頻段的中心頻點(diǎn)來(lái)測(cè)試。對(duì)于多頻段天線(xiàn)，我們最好分頻段測(cè)量，各頻段分別測(cè)試中心頻點(diǎn)。

LTE(Long Term Evolution)制式終端發(fā)送天線(xiàn)檢測(cè)時(shí)，終端按最大功率發(fā)送1.4M帶寬LTE信號(hào)，如23dbm。接收天線(xiàn)檢測(cè)時(shí)，儀表發(fā)送單音信號(hào)，功率則選擇終端允許接收范圍內(nèi)的偏大些的，如終端最大接收電平-25dbm，儀表可選擇發(fā)送-35dbm左右功率，以保證檢測(cè)精度。終端接收通道采用RSSI功率統(tǒng)計(jì)功能來(lái)統(tǒng)計(jì)接收功率。

下面我們重點(diǎn)介紹這種天線(xiàn)測(cè)試方案兩個(gè)最關(guān)鍵也最令人頭疼的問(wèn)題。其一，終端整機(jī)天線(xiàn)和耦合板的相對(duì)位置怎樣算最佳；其二，好壞的判斷門(mén)限怎么定。判斷門(mén)限設(shè)定的是否合理，直接決定了整機(jī)天線(xiàn)測(cè)試方法的有效性。定得太嚴(yán)有可能攔截了好機(jī)子，降低了產(chǎn)線(xiàn)的直通率。定得太松又可能讓壞機(jī)漏出，降低出廠終端的整體品質(zhì)。相對(duì)位置的確定既直接關(guān)系著夾具的設(shè)計(jì)，又很大程度上決定了判斷的門(mén)限。因而，終端整機(jī)天線(xiàn)和耦合板間相對(duì)位置的確定是我們需要解決的首要問(wèn)題。

我們隨機(jī)抽取大約二十個(gè)左右，收發(fā)通道功率都經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)了的整機(jī)，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行耦合相對(duì)位置的摸索測(cè)試。針對(duì)不同的終端天線(xiàn)，鞭狀天線(xiàn)或內(nèi)置天線(xiàn)， 分別進(jìn)行測(cè)

試。功率校準(zhǔn)過(guò)的終端，功率發(fā)送或者接收RSSI(Received Signal Strength Indication)統(tǒng)計(jì)都比較準(zhǔn)確，能為我們的測(cè)量結(jié)果提供保障。在工廠的生產(chǎn)流程中，單板校準(zhǔn)環(huán)節(jié)必然排在整機(jī)天線(xiàn)測(cè)試之前，所以可以保證在天線(xiàn)測(cè)試時(shí)，終端的收發(fā)通道都是校準(zhǔn)過(guò)這樣一個(gè)所需的預(yù)置條件。我們終端的工作頻率為1447～1467MHz，我們選取1457MHz作為測(cè)量頻點(diǎn)。

耦合位置測(cè)試的預(yù)期目標(biāo)是，找到一個(gè)耦合板與終端整機(jī)擺放的相對(duì)位置，在該位置上測(cè)得的耦合插損最小(表明耦合到的功率最強(qiáng))，各個(gè)測(cè)試樣機(jī)的測(cè)量值最收斂(說(shuō)明該位置近場(chǎng)耦合情況穩(wěn)定，便于制定較嚴(yán)格的測(cè)試門(mén)限)。簡(jiǎn)單的測(cè)試后發(fā)現(xiàn)，我們終端的鞭狀天線(xiàn)和內(nèi)置天線(xiàn)(兩者基本處于一個(gè)平面)平行放置于耦合板平面時(shí)，夾具的設(shè)計(jì)最簡(jiǎn)單，并且在天線(xiàn)盡可能的貼近耦合板平面時(shí)，接收到的耦合功率最大。接下來(lái)，我們要在與耦合板最貼近的平面內(nèi)尋找天線(xiàn)擺放的最佳位置。我們以耦合板的測(cè)量區(qū)中心點(diǎn)為中心，大致選取上，下，左，右，中心，左上，左下，右上，右下九個(gè)位置，調(diào)整終端的位置，讓天線(xiàn)的物理中心點(diǎn)處在這九個(gè)位置上，分別測(cè)量功率。實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，我們的終端無(wú)論是鞭狀天線(xiàn)還是內(nèi)置天線(xiàn)，天線(xiàn)的物理中心最貼近耦合板的測(cè)量區(qū)中心時(shí)，測(cè)得的耦合損耗最小(以1457MHz頻點(diǎn)為例，我們測(cè)得的耦合插損大約是-15db)，二十個(gè)樣機(jī)的測(cè)量值也最收斂，差異控制在2.5db以?xún)?nèi)。以鞭狀天線(xiàn)測(cè)量為例，最終確定的終端和耦合板的位置關(guān)系參見(jiàn)圖2，終端的底面緊貼耦合板面平行放置，鞭狀天線(xiàn)的物理中心近可能靠近耦合板耦合區(qū)中心。

最佳的相對(duì)位置確定之后，就可以制作夾具了。因?yàn)槲覀兘K端的內(nèi)置天線(xiàn)與鞭狀天線(xiàn)分別處于終端的兩端，內(nèi)置天線(xiàn)的測(cè)試需要單獨(dú)一塊耦合板來(lái)測(cè)試。

接下來(lái)我們需要根據(jù)工廠的實(shí)測(cè)情況確定好壞門(mén)限。先制定較嚴(yán)格的門(mén)限，然后將工廠試制中被攔截下來(lái)的“壞機(jī)”放到微波暗室中進(jìn)行天線(xiàn)效率，駐波等測(cè)試，看看整機(jī)天線(xiàn)的性能是否真在我們?cè)试S的范圍之外。如果是，說(shuō)明我們的門(mén)限制定合理，還可根據(jù)情況適當(dāng)縮小門(mén)限再重復(fù)上面步驟。否則，需要適當(dāng)放寬門(mén)限。這種調(diào)整可能需要進(jìn)行多次，才能最終確定門(mén)限。實(shí)際的測(cè)試結(jié)果表明，以前期試產(chǎn)機(jī)測(cè)得的功率的中心值為中心，正負(fù)5db的門(mén)限基本合適。

以我們LTE手持終端鞭狀發(fā)送天線(xiàn)的測(cè)試為例，配置MCU200的插損值為-16db，設(shè)置終端發(fā)送23dbm功率。試產(chǎn)測(cè)試樣機(jī)大約30個(gè)，如果儀表接收的功率值比較集中，平均在22dbm左右，則產(chǎn)品天線(xiàn)合格的門(mén)限就設(shè)定為儀表接收功率17dbm～27dbm。

如果儀表接收到的功率值比較發(fā)散，不成正態(tài)發(fā)布，甚至超出10db的門(mén)限范圍，則整機(jī)的天線(xiàn)性能可能存在問(wèn)題，最好拿產(chǎn)出的一定數(shù)量的終端到微波暗室仔細(xì)測(cè)試一下。

4結(jié)束語(yǔ)

天線(xiàn)作為影響終端無(wú)線(xiàn)性能的非常關(guān)鍵的部件，在工廠進(jìn)行生產(chǎn)一致性檢測(cè)是非常必要的。天線(xiàn)耦合板測(cè)試方案簡(jiǎn)單方便，成本適中。本文在大量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出的工廠測(cè)試具體實(shí)施方案，如測(cè)試信號(hào)，測(cè)試頻點(diǎn)，發(fā)送功率，耦合板和被測(cè)天線(xiàn)的相對(duì)位置，門(mén)限等，在工廠應(yīng)用于鞭狀天線(xiàn)和內(nèi)置天線(xiàn)的測(cè)量時(shí)都達(dá)到了不錯(cuò)的效果。用該方法測(cè)試天線(xiàn)，結(jié)果穩(wěn)定，同一個(gè)樣機(jī)的多次測(cè)量值偏差在1db以?xún)?nèi)，不同樣機(jī)的測(cè)量值差異范圍在5db以?xún)?nèi)，能真正地起到在工廠生產(chǎn)階段發(fā)現(xiàn)終端整機(jī)天線(xiàn)問(wèn)題的作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]熊煒.TEM小室在電磁兼容檢測(cè)中的應(yīng)用[J].上海計(jì)量測(cè)試，2008,35(5).

[2]廖云龍.時(shí)域平面近場(chǎng)天線(xiàn)測(cè)量研究及軟件的實(shí)現(xiàn)[D].成都:四川大學(xué)，2005.

[3]沈先軍.平面近場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)在天線(xiàn)測(cè)試和診斷中的應(yīng)用[J]. 現(xiàn)代電子,2002，(2).

[4]唐敬雙.微波毫米波天線(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)技術(shù)研究[D].西安:西安電子科技大學(xué)，2007.

[5]薛正輝,高本慶，劉瑞祥 等.天線(xiàn)平面近場(chǎng)測(cè)量中一種近遠(yuǎn)場(chǎng)變換方法研究 [J].微波學(xué)報(bào), 2001，17(1).

[6]王勇,梁瓊崇.小型移動(dòng)終端天線(xiàn)測(cè)量方法探討[J].儀器儀表學(xué)報(bào), 2010，31(8).

[7]張嫻，蔣全興，景莘慧. Triple_TEMcell的三維場(chǎng)模擬與測(cè)試[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào), 2002，17(2).

[8]薛正輝，王楠，樓世平 等. 天線(xiàn)時(shí)域近場(chǎng)測(cè)量技術(shù)與實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[J].電磁場(chǎng)與微波, 2009，39(4).

責(zé)任編輯：萬(wàn)方