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1、手机射频性能空中测试方法介绍摘要本文首先简单介绍了手机天线的特性和指标,然后对CTIA协会制定的OTA（空 中测试）方法进行了介绍。手机的一些关键指标（如辐射总功率TRP、全向接收灵敏度TIS、 人体感应）的测试方法以及相关测试环境，在文中作了详细的描述。本文所介绍的OTA测 试方法,对于改进手机研发阶段的测试方法具有很好的参考价值,而且在某些国家（美国）, OTA测试已经成为GSM手机的必测项目，我们的研发测试需增加相关的测试内容。一、前言良好的射频性能对于手机在数字蜂窝网、PCS网络中的表现至关重要。由于手机的体积 日趋小巧，天线性能通常不得不做出牺牲。在很小的空间范围以内，要实现天线在各
2、频段的 良好性能是一件困难的工作。这也对测试提出了一个更高的要求：全面、精确的测试，可以 客观评估手机在实际网络中的表现，并不断改进设计；而不正确的测试数据，会有误导研发 的可能。现阶段公司的研发测试手段以平板耦合器与塔型天线测试为主。在这样的近场测试环境 中，手机与测量天线之间的距离小于3倍波长，和实际网络环境差异较大；且操作中常常需 要根据实际情况调整手机的摆放位置，测试数据的可再现性、重复性较差，研发、测试、质 检易出现分歧。实际上，在项目的不同阶段，测试的重点也应区分：1. 研发测试研发测试时间相对比较充裕，需要利用各种测试手段，提供更多、更全面的数据，对手 机的射频性能做出准确、客观
3、的评估，这对手机性能的不断改进非常重要，也是项目转产的 重要依据；2. 生产测试生产测试的目的是关注产品性能的一致性。射频测试方面，其任务是把性能低于正常水 平的不良品检测出来，防止不良品流入市场；另外生产测试必须操作性强，简单迅速，不降 低产能。此时可以使用屏蔽盒内的平板耦合器进行测试：由射频性能已知的样机作为金机（Golden Sample），经试验后确定手机摆放位置和通过准则，不同型号的手机摆放位置和 通过准则不一定相同。整机射频的测试和天线特性密切相关，下文首先介绍天线的特性和指标。二、天线特性与指标天线是发射和接收电磁波的一个重要的部件。无线电发射机输出的射频信号功率，通过 馈线（电
4、缆）输送到天线，由天线以电磁波形式辐射出去；电磁波在空间可以由天线接收（仅 能接收到很小一部分功率），并通过馈线送到无线电接收机。表征天线性能的技术指标可以分成两类：一类是表征天线的辐射能力，如天线效率、增 益、输入阻抗、驻波比、工作带宽，一类描述天线能量在空间的分布情况，如辐射方向图、 极化方式。2.1 天线效率输入到天线的射频功率，由于天线系统中的热损耗、介质损耗、感应损耗而消耗一部分， 因此不能全部变为电磁波辐射出去。天线效率表示天线是否有效地转换能量，是天线重要参数之一，发射天线的效率n是指真正射出去的功率P 与输入到天线的总功率P （辐射功rad in率P 与天线损耗功率P之和）的比
5、值，即：rad sPP耳=rad = radP P + Pinrads上式表明天线的效率总是小于1。天线效率还可以用天线输入端的辐射电阻R 和损耗rad电阻R表示。即：sRR rad radR R + Rinrads可见，要提高天线辐射效率，应设法提高辐射电阻，尽可能降低损耗电阻。2.2 天线增益天线是无源器件，并不放大电磁信号的能量，因此天线的效率始终小于1。所谓天线增 益是指：在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的点源辐射单元在空间同一点处所产生 的信号的功率密度之比。天线增益定量地描述一个天线把输入功率集中辐射的程度。增益显 然与天线方向图有密切的关系，方向图主瓣越窄，副瓣越小，增益越
6、高。因此，高的天线增 益是以减小天线波束的辐射范围作为代价的。2.3 输入阻抗天线的输入阻抗是天线馈电端输入电压与输入电流的比值。天线与馈线的连接，最佳情 形是天线输入阻抗是纯电阻且等于馈线的特性阻抗，这时馈线终端没有功率反射，馈线上没 有驻波，天线的输入阻抗随频率的变化比较平缓。通过天线阻抗调试的方法，可以实现天线 的输入阻抗在要求的工作频率范围内，输入阻抗的虚部近似为零，且实部相当接近50 欧。天线匹配就是消除天线输入阻抗中的电抗分量，使电阻分量尽可能地接近馈线的特性阻 抗。匹配的优劣一般用四个参数来衡量，即反射系数，行波系数，驻波比和回波损耗。四个 参数之间有固定的数值关系，通常用得较多
7、的是电压驻波比和回波损耗。2.4 电压驻波比天线的输入阻抗在完全匹配时阻抗是纯电阻，对于实际的宽频天线而言， 50 欧姆的纯 电阻特性只是在个频率上实现，而无法实现在整个频带内都呈现纯电阻特性，此时发射机输 出的一部分能量被发射并与入射波迭加，在馈线上形成驻波。 VSWR（Voltage Standing Wave Ratio，电压驻波比）描述了宽频天线的阻抗特性与50欧姆的偏离程度。VSWR越大，反射 越大，匹配越差，一般要求VSWR小于1.5。VSWR的计算方法为：U + U V RU - UVRUVSRW maxUmin式中，U 为波腹电压；U为波节电压，r为反射因子U /U。maxmi
8、nR V另一个表征天线匹配的常用参数为回波损耗（Return Loss），回波损耗越大表示匹配越 好，移动通信系统中一般要求大于14dB。其计算方法为：a dB 一20 log rr2.5 工作带宽无论是发射天线还是接收天线，它们都需要在一定的频率范围（频带宽度）内工作。天 线的频带宽度有两种不同的定义：一种是指在VSWR1.5的条件下，天线工作的频率范围; 一种是指天线增益下降3 分贝范围内的频率范围。在移动通信系统中，通常是按前一种定义 的，具体的说，天线的频带宽度就是天线的VSWR不超过1.5时的频率范围。一般说来， 在工作频带宽度内的各个频率点上, 天线性能有一定差异，但这种差异造成的
9、性能下降可以 接受。2.6 辐射方向图天线辐射电磁波是有方向性的，它表示天线向一定方向辐射电磁波的能力。反之，接收 天线的方向性表示接收不同方向来的电磁波的能力。通常用垂直平面（E1、E2-Plane）及水 平平面（H-Plane）上表示不同方向辐射（或接收）电磁波功率大小的曲线来表示天线的方 向性，并称为天线辐射的方向图。半功率点之间的夹角表示了天线方向图中的水平波束宽度 及垂直波束宽度。由于手机在使用过程中基站的方位是随机的，因此手机天线应能够把功率 向各个方向均匀地辐射,并良好地接收从各方向发送过来的电磁波。图1所示为ZTE P106A1 与SIEMENS A65两款GSM机型在H-Pl
10、ane上的辐射方向图，在CH62信道测量。1222、425.020.050.05.(X.17916101511212435.023 30 013 P106 1#-P106 2#*P106 3#西门子A65图12.7 极化方式电磁波由交变的电场和磁场组成，其中电场强度方向被定义为天线极化方向。当电场强 度方向垂直于地面时，此电磁波就称为垂直极化波;当电场强度方向平行于地面时，此电磁 波就称为水平极化波。水平极化波在贴近地面传播时，会在大地表面产生极化电流，极化电 流因受大地阻抗影响产生热能而使电场信号迅速衰减;而垂直极化方式则不易产生极化电 流，从而避免了能量的大幅衰减，保证了信号的有效传播。因
11、此，本地广播信号常采用水平 极化波，而在移动通信系统中，一般均采用垂直极化的传播方式。另外，随着话务量的增长， 一种45双极化天线应运而生，用于基站密集的高话务地区。三、射频空中测试简介3.1 CTIA协会与OTA测试天线具有方向性，尤其是在高频段时，其方向图变得不规则；实际使用中，人体感应可 能会给手机性能带来8-10dB的损失，且手机体积越小损失越严重；GSM规范05.05并没有对 人体感应对指标的恶化程度设限；入网、型号核准测试也仅仅测试其传导射频性能。另外， 手机在使用中所处的实际环境非常复杂，很难找到一个能模拟真实环境又很实用的测试方 法。因此长期以来，射频空中测试是一项既困难又非强
12、制测试的内容。虽然众多制造商有自 己的测试手段，但业界一直缺少统一的测试方法和标准。蜂窝通信与英特网协会 CTIA (Cellular Telecommunications & Internet Association)主导 制定了一套测试规范和测试计划，并用于无线电话机的 CTIA 认证测试。参与该测试规范起 草的公司包括Motorola、Ericsson、Qualcomm、Nokia，以及欧洲著名的电信运营商Cingular Wirelss、 Verizon Wireless。CTIA 协会成立于 1984 年，它有两个主要职能：其一，代表美国的无线电工业向议会 和FCC (Federal
13、 Communications Commission，联邦通信委员会)发出行业的呼声；其二， 就运营商和设备制造商都关注的移动台的性能， CTIA 于 1991 年开展了相关的性能测试及 认证工作oCTIA的测试认证程序由三部分组成,前两部分是由CTIA授权的实验室根据CTIA 的测试计划完成，而第三部分是FCC型号认证，由FCC授权的实验室进行测试。第一部分 针对 CDMA、 GSM、 TDMA、 AMPS 等无线移动台进行测试，主要是传导测试；第二部分 包括了 OTA (Over-The-Air)测试。OTA测试是CTIA认证工作组CPWG建立的一套空中 测试方法。从2004 年 6 月开
14、始，所有销售给美国运营商的 GSM 无线移动台，都必须通过 OTA测试。3.2 测试环境与配置CTIA定义了两种三维扫描方法：圆锥切割法(Conical Cut Test Method)以及大环测试 法(Great Circle Test Method)，以用于对手机进行全方位测试。圆锥测试法中，测试手机 在自身的长轴上旋转，而测量天线被移动到空间各个角度进行测试；大环测试法则保持测量 天线位置不变，而测试手机能够在两个轴上旋转，以完成3D空间所有角度的测试。图2定义 了直板和折叠手机在三维坐标中的摆放位置。liandset两种测试方法均定义手机围绕自身长轴旋转所形成的角度为，而测量天线所处的
15、方位 与Z轴之间的夹角为0,因此两种测试方法采样得到的数据，处理方法相同。在圆锥切割测 试法中，每隔一定的角度采集一个数据，在一个0角度上完成所有的数据采集后，0转动到 下一个角度，再重复上的测试；大环测试法的测试顺序基本相同。在远场条件下，0和 每15度采集一个数据，通常能满足测试精度的要求。此时在12个0角度进行测试，完全的0 测试角度为：TO, T15，T150, T165，而在每个0角度上，每15度，完成一周24个点的 采样。测量天线需要能够在垂直极化和水平极化两个极化方向上测量。图3所示的球坐标系 定义了测量天线的0和极化方向。两个极化方向上的测试需在手机定位后同时同时完成， 以减少测量天线和手机重定位带来的不确定性。图3图4所示为大环测试法示意图，测试在屏蔽的无反射微波暗室中进行，手机支架必须采 用低介电常数的材料（如聚苯乙烯泡沫塑料）。被测试手机需要能在两个轴上旋转。而测量 天线包含了H、V两个方向。测量天线和手机之间的最短距离为2D2/九、3D、3九中的最 大值，以满足远场测试条件。在自由空间测试中，D表示手机自身的尺寸；但在仿真头附近 测试时，D要把仿真头的尺寸计算在内。测试需要包含手机所有配置的组合，如不同种类的电池都需要测试，除非有相关的数据 能证明其带来的影响可以忽略。3.3 发射机性
