移动通信终端天线性能 测试、整改及设计 电磁兼容实验室 周 镒

内容简介 OTA 测试简介 入网测试项目调整情况 TIRS测试 天线整改 天线设计

OTA 测试介绍 数字通信技术飞速发展； 无线通信技术的成功，必须要有一个可接受的，稳定的通信性能做支撑； 无线通信设备的物理层射频性能对于其性能至关重要。 设备依靠物理层的射频性能来保持与其它设备的“通话” 如果处于无线通信两端的任何一个设备不能够听到对方的“通话”的话，通话就会中断；

OTA 测试介绍 移动台辐射性能－体积日益变小－辐射性能折中 峰值有效全向辐射功率(Effective Isotropic Radiated Power，EIRP) 不能很好体现移动台的空中性能 ，在某个方向上最大值 与辐射性能相比，接收性能同样重要 话音质量差，中断通话 接收机的带内噪声或发射机的杂散信号干扰接收机

OTA 测试介绍 实际应用中，操作者对移动台辐射性能影响 网络运营商需要制造OTA性能以优化网络 制造商需要知道OTA性能以确定产品实际性能 需要测量三维空间辐射性能

OTA 测试介绍 OTA－Over The Air（空中性能测试），与传导测试向对应,空间三维测量,从射频辐射功率和接收机性能两方面考虑： TIRP－Total Isotropic Radiated Power总辐射功率 TIRS－Total Isotropic Radiated Sensitivity总全向灵敏度

OTA 测试介绍 指标衡量了与基站之间的实际连接情况。 基于空中接口的测试，模拟真实使用状态。 采用三维测量，评估盲点和功率分布。 考虑使用者对EUT的影响。考虑了人头模型以及人头+人手模型下的测试。

OTA 测试的重要意义 天线性能是终端整机质量的重要标志； 自2010年始, 国内外发生了多次”天线门”事件, 使得消费者对于终端天线性能的关注达到了前所未有的高度,我国CCSA标准领先全球推出了人手模型下的测试方法及限值要求; 中国处于3G建设的前期, 终端天线性能的提升将大大降低运营商的布网成本, 据中国移动统计, 在入网实施TD-SCDMA的强制性测试后, 随着终端天线性能的提升, 其布网成本节省了约24%. 据中国移动的实际应用数据分析,天线性能提升3dB, 会将终端的掉话率由标准的50次提升到30次, 网络边缘的数据下载速率提升超过50%, 将显著的提升用户的使用体验, 减少用户的投诉.

OTA 当前入网测试要求 自2008年8月1日起，移动终端入网需进行天线性能(OTA)部分的总辐射功率测试； 为了适当降低企业的技术研发难度,以上总辐射功率仅要求在自由空间下进行测试,且结果为参考项； 2010年8月1日开始, TD-SCDA终端的天线性能开始强制性测试, 包括总辐射功率测试和总全向灵敏度测试, TD-SCDMA的测试要求在模拟人头旁边进行测试, 且为判定项。

OTA 新入网测试要求 所有移动终端入网均需进行完整天线性能(OTA)部分的测试, 包括总辐射功率测试和总全向灵敏度测试； 以上测试对于语音终端不仅要求在模拟人头旁边进行测试，还要求在模拟人头+人手旁边进行测试； 以上测试均为判定项，过渡期半年。

测试项目变化情况 设备类型 制式 测试项目变化前 测试项目变化后 移动终端设备 GSM TIRP自由空间 TIRP 人头旁，人头人手旁 TIRS 人头旁 CDMA WCDMA TD-SCDMA TIRP 人头旁 CDMA 1x cdma2000 EVDO TIRP 自由空间 TIRS 自由空间

OTA测试依据标准及标准变更情况 原标准 YD/T 1484-2006 《移动台空间射频辐射功率和接收机性能测量方法》，变更为YD/T 1484-2011《移动台空间射频辐射功率和接收机性能测量方法； 增加了笔记本配置时的测试要求 增加了人手模型相关测试要求 YD/T 1977-2009《2GHz TD-SCDMA移动台空间射频辐射功率和接收机性能测量方法》 YD/T 1978-2009《2GHz WCDMA移动台空间射频辐射功率和接收机性能测量方法》

TIRS 测试 在每一个测量点，为了达到一定的误码率（误帧率）而所需要的最小前向链路功率 TIRS－总全向灵敏度 EIS---等效全向灵敏度

TIRS 测试 Communication RX Antenna on ceiling Fiber Optics for MAPS system Transmit Antenna  GPIB-Bus Universal Radio Communication Tester Relay Switch Unit MAPS Controller Communication RX Antenna on ceiling Communication RX Antenna on MAPS Mobile Phone Communication Return Path Measurement Signal Path

TIRS 测试 GSM 900 FS TIS DCS 1800 FS TIS

限值要求(总辐射功率TIRP) 频段 测试状态 限值要求 GSM 900 人头模型 ≧18.5dBm 人头+人手模型 翻盖机比人头模型下测试结果恶化﹤6dB；其它机型﹤8dB GSM 1800 ≧19dBm 翻盖机比人头模型下测试结果恶化﹤4dB；其它机型﹤6dB CDMA 1X ≧13dBm

限值要求(总辐射功率TIRP) 频段 测试状态 限值要求 TD-SCDMA 人头模型 ≧13dBm 人头+人手模型 翻盖机比人头模型下测试结果恶化﹤4dB；其它机型﹤6dB WCDMA ≧14dBm cdma 2000 EVDO 自由空间 ≧18dBm 17

限值要求(总全向灵敏度TIRS) 频段 测试状态 限值要求 CDMA 1X 人头模型 ≤ -96dBm GSM 900 ≤-94dBm TD-SCDMA ≤ -100dBm WCDMA cdma 2000 EVDO 自由空间

天线整改 着手的方面： 天线的位置和方位; 屏蔽 阻抗匹配 频带宽度 地平面 被测设备的软件设置

天线位置和方位 要考虑天线周边任何金属物质都会对天线的辐射特性产生影响，应尽量远离; 同样尽量远离人体；－尤其是人头附近 还需要考虑的问题： 对于传导接收灵敏已经满足要求（或非常优秀）但整机接收灵敏度差的情况，特别是PIFA天线，其辐射体的面积和形式还是对辐射接收灵敏度有一定的影响，可以在天线方面做改进。 主板设计方面。天线的空间辐射被主板部分吸收后产生一定的射频噪声，导致接收灵敏度降低。因此，解决问题应从主板的布线、布板入手，按通用要求分析或试验实测，找出问题后修版。

整机杂散问题原因在于天线的空间辐射被主板的金属元件（包括机壳上天线附近的金属成分装饰件）耦合吸收后产生一定量的二次辐射，频率与金属件的尺寸关联。因此要求此类元件有良好的接地，消除或降低二次辐射。整机杂散问题还与天线与RF模块之间的谐振匹配电路有关，如果谐振匹配电路的稳定性不好，很容易激发产生高次谐波的干扰。 由于手机内置天线对其附近的介质比较敏感，因此，外壳的设计和天线性能有密切关系。外壳的表面喷涂材料不能含有金属成分，壳体靠近天线的周围不要设计任何金属装饰件或电镀件。若有需要，应采用非金属工艺实现。机壳内侧的导电喷涂，应止于距天线20mm处； 电池（含电连接座）与天线的距离应设计在5mm以上

PIFA天线的阻抗带宽受地平面的尺寸影响很大； 宽度应该在所设计的波长的25％～45％之间， 折叠手机一般在合盖的低频状态下性能稍差 PCB的屏蔽一定要做好，否则灵敏度会有问题； 天线下方的屏蔽一定要做好， 使电池尽量远离天线 馈入点要尽量接近接地点， 馈入点和接地点越短，越粗越好； 如有必要，可以使用两个接地点 地平面的影响 PIFA天线的阻抗带宽受地平面的尺寸影响很大； 宽度应该在所设计的波长的25％～45％之间， 折叠手机一般在合盖的低频状态下性能稍差

~ 天线的匹配问题 天线设计中遇到的问题 PA并不和50 ohms 匹配 在高频段非常普遍, 如：GSM1800 and GSM1900 Power Amplifier Antenna ZPA Zant ZPA- impedance of Power amplifier Zant- Impedance of Antenna For maximum performance, ZPA=Zant* Ideally, everyone tries to design ZPA and Zant to 50 ohms, but in the real world, this is not possible We tries to match Zant* to ZPA, but very often ZPA, changes very fast from channel to channel, making it impossible to get maximum performance for all channels 天线设计中遇到的问题 PA并不和50 ohms 匹配 在高频段非常普遍, 如：GSM1800 and GSM1900 PA的阻抗随信道的改变变化非常大，所以不容易对所有信道均进行匹配. 某些时候，SAR的问题是由于机器本身造成的，而不是由于天线的原因造成的 天线靠近人头过近 LCD的金属屏蔽接受到了RF能量，并将其二次辐射出去

天线设计 天线是高频电路和自由空间之间的能量转换器，用来接收和发射电磁波。 天线本身是一个无源互易原件，可以将电信号与电波信号相互转换； 但是天线本身并不具备功率放大作用， 增益只是将能量集中而已； 天线设计 天线分类 按用途分类，可分为通信天线、电视天线等； 按工作频段分类，可分为短波天线、超短波天线等； 无线－－－－－天线 按方向性分类，可分为全向天线、定向天线等； 按外形分类，可分为线状天线、面状天线等。

手机天线分类 按天线的安装位置可分为内置天线和外置天线 按天线的特性可分为PIFA 天线和单极子Monopole天线 外置天线（单机子） 内置天线（PIFA） 按天线的特性可分为PIFA 天线和单极子Monopole天线 按天线的材料可分为金属天线和陶瓷天线 天线一般包括塑料支架和金属片；陶瓷天线一般作为标准器件裱贴在电路板上。

手机天线性能参数 对于天线来说，几个重要的参数 辐射模式图； 增益； VSWR； 阻抗匹配； 还包括： 与小型天线不是很相关的参数： 大小； 形状； 材质； 周围的其它物质； 与小型天线不是很相关的参数： 极化； SAR, EMC

天线的阻抗匹配 天线输入端信号电压与信号电流之比，称为天线的输入阻抗。 输入阻抗具有电阻分量 Rin 和电抗分量 Xin ，即 Zin = Rin + j Xin 。电抗分量的存在会减少天线从馈线对信号功率的提取，因此，必须使电抗分量尽可能为零，也就是应尽可能使天线的输入阻抗为纯电阻。 对于任一天线，总可通过天线阻抗调试，在要求的工作频率范围内，使输入阻抗的虚部很小且实部相当接近 50 欧，从而使得天线的输入阻抗为Zin = Rin = 50 欧------这是天线能与馈线处于良好的阻抗匹配所必须的。

天线的阻抗匹配 对天线来说，调好匹配是最基本的，但是匹配状况良好，并不代表天线性能好，特别是在添加匹配电路的情况下。匹配状况良好，只能说明天线反射损耗小，匹配带宽良好，但是天线的辐射性能不一定好。

微带天线的优点 内置微带天线可集成到印制电路板和外壳上，在手机内部，不额外增加设备尺寸； 内置微带天线有机械刚性，不易被损坏； 采用屏蔽技术来屏蔽天线，SAR值非常小； 天线受人体的影响相对要小； 微带天线的输入阻抗容易做到50Ω ，不需要匹配电路或非平衡转换器，容易实现批量生产，重复性好；

微带天线的优点 微带天线通过耦合方式馈电，在隔离接收与发射频段方面也相当简便，可以消除双工器； 若采用E场和H场元件分集技术，则不必附加独立的分集天线； 设计参数通过最优化手段实现体积小、成本低，并能增加带宽， 同时提高对垂直和水平极化波的接收灵敏度，实现更好的全向辐射特性； 容易设计出双频段的内置集成微带天线。 结论：减小人体和天线相互作用影响，微带天线是内置天线应用的最佳选择。

微带天线的技术特点 最明显的技术是将传统的半波长微带天线尺寸减少50%，即将零位等效面短路。采用局部短路微带天线可大大减小已缩短的1／4波长天线的尺寸。在这种情况中，仅对零等效面一部分短路，而不是全部主面短路。 最重的参数之一是微带天线的接地面尺寸。缩短接地面尺寸可减小天线尺寸，改善天线的全向辐射特性，也可降低天线邻近人体效应。但是，缩短常规微带天线几何边缘接地面会降低天线的效率，需采用其他电路结构，如双C型贴片微带天线。

微带天线的技术特点 增加厚度或采用平面／非平面层状无源器件可改善微带天线带宽，但会使天线尺寸增大。驱动单元和天线无源单元的长和宽通常在一个半波长到1／4波长范围内。 辐射体面积550～600mm2，与PCB主板TOP面的距离（高度）6～7mm，天线与主板有两个馈电点，一个是模块输出，另一个是RF地； 天线投影区域内有完整的铺地，同时不要在天线侧安排元器件，特别是RECEIVER 、SPEAKER、振子等较大金属结构的元件。它们对天线的电性性能有很大的负面影响

天线发展的趋势 内置，小型化； 轻，薄； 组合：包括麦克风，CAMERA，FM等 分集天线Diversity MIMO

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