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终端进网测试项目
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OTA 测试 手机的无源测试和有源测试
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&&C​T​I​A​制​定​了​O​T​A​的​相​关​标​准​。​O​T​A​ ​测​试​着​重​进​行​整​机​辐​射​性​能​方​面​的​测​试​,​并​逐​渐​成​为​手​机​厂​商​重​视​和​认​可​的​测​试​项​目​。
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你可能喜欢移动终端MIMO天线关键参数及测试验证方法研究--《北京邮电大学》2015年博士论文
移动终端MIMO天线关键参数及测试验证方法研究
【摘要】：多输入多输出(Multi-Input Multi-Output, MIMO)通过在无线通信系统收发节点同时配置多根天线,可以成倍提高系统信道容量与频谱效率,已经成为当前以及未来蜂窝系统中的关键技术。收发节点的多个天线单元与无线传播环境共同组成了系统传输信道,终端天线性能的优劣对系统传输性能有较大影响。一般而言,为保证系统MIMO信道良好的传输性能,终端MIMO天线多个天线单元之间需要保持较好的增益平衡性以及较高的隔离度。对于移动终端而言,由于其体积较小,且需要支持多种无线模式和多个工作频段,因此其MIMO天线需要在较小空间内布置多个天线单元,并需要在较宽频段范围内保证多个天线单元间的高隔离度,设计难度较高。针对移动终端MIMO天线的空口(Over-The-Air, OTA)测试,即MIMO-OTA测试,是检验终端MIMO天线性能的重要方法。MIMO-OTA测试需要模拟特定的空间信道环境,并在所模拟的信道环境中测试终端MIMO传输性能。根据不同的信道环境模拟方法,MIMO-OTA测试方法大致可以分为多探头全电波暗室法,混响室法和辐射两阶段法等三类,不同方法各有优缺点。多探头全电波暗室法的信道模拟和测试结果较为准确,被广泛认可为一种认证型测试方法,但复杂度和系统成本较高；混响室法成本较低,但只能模拟各向同性信道模型；辐射两阶段法成本较低,且可以模拟各类信道模型,但测试精度受限于被测终端自身芯片平台质量,一般被认为可以用于研发型测试。本文针对移动终端MIMO天线设计及其性能测试方法展开工作。首先研究了终端小型化高隔离度MIMO天线的设计；然后研究了最为主流的多探头全电波暗室法MIMO天线性能测试评估方案,考虑到其系统成本高的缺点,对其进行了低复杂度优化设计,同时研究了如何将目前的二维多探头暗室扩展为三维多探头暗室来模拟具有俯仰角度扩展的三维信道环境；最后研究了低成本的辐射两阶段法MIMO-OTA测试方案,研究了终端芯片测量精度对其测试结果的影响,搭建了实际系统并进行了优化设计。本文主要创新工作有以下几点：第一,针对笔记本电脑类移动终端设计可以覆盖2.4GHz及5.2/5.8GHz双频段的MIMO天线系统。结合结构弯曲与耦合馈电技术来缩小天线尺寸并实现双频带覆盖,使用突出地结构以及T型槽结构来降低各个天线单元在不同频段范围内的互耦。基于上述思路设计得到的双天线系统在2.4GHz及5.2/5.8GHz频段上各天线单元间互耦可降至-18dB以下,且天线整体尺寸仅9mm x 40mm。基于上述双天线系统设计结果进一步组合设计了四天线单元和八天线单元MIMO天线系统,设计结果均可覆盖预期双频段,且各天线单元间互耦均可达到-15dB。第二,实际搭建了多探头全电波暗室MIMO-OTA测试系统,提出了多探头暗室系统的低复杂度优化设计方法,在满足暗室内信道环境模拟精度约束条件的前提下,通过优化选择用于信道模拟的探头子集,最小化系统使用的探头个数,从而降低系统中用于信道模拟和测试的通道个数,降低系统复杂度以及信道仿真器通道成本。实际测试结果表明,使用所提优化方法进行3GPP SCME信道模型下的MIMO-OTA测试,系统可以节省约40%的信道仿真器成本,且得到的测试结果与现有系统一致。第三,研究了多探头全电波暗室用于三维信道模型仿真时的探头辐射权值优化方案,并提出了三维多探头暗室中探头位置配置的优化设计方案。首先以最小化暗室中心测试区三维球面上信道相关因子模拟偏差为目标,优化求解了三维暗室内各个探头最优辐射权值向量；基于优化问题的求解,分析了三维暗室中水平探头环个数,探头环俯仰角位置,以及不同探头环上探头水平方位角等探头位置配置对暗室内三维信道模拟精度的影响,并根据标准中三维信道模型特性提出了三维多探头暗室内探头配置的优化设计方案。第四,研究了辐射两阶段法MIMO-OTA测试方案,通过信道容量仿真,分析了测试过程中终端天线方向图测量角度步进、幅度响应测量误差以及相位响应测量误差对MIMO-OTA测试结果的影响；实际搭建了辐射两阶段法测试系统,并设计了基于终端测量汇报的下行功率校准流程,部分消除终端方向图测量误差对MIMO-OTA测试结果的影响；对实际系统进行了信道相关性测试验证,使用实际终端比对了多探头全电波暗室系统以及辐射两阶段法系统的测试结果,结果表明所搭建辐射两阶段法系统可以准确模拟预期信道模型,并有效区分终端MIMO天线性能的优劣。
【关键词】：
【学位授予单位】：北京邮电大学【学位级别】：博士【学位授予年份】：2015【分类号】：TN820【目录】：
摘要4-7ABSTRACT7-16缩写符号对照表16-17数学符号对照表17-18第一章 绪论18-26 1.1 引言18-20 1.2 多天线终端MIMO天线设计20-21 1.3 终端MIMO天线性能测试方法及研究现状21-23 1.4 创新性工作和章节安排23-26第二章 小型化高隔离度MIMO天线的设计研究26-42 2.1 引言26-28 2.2 双天线系统设计方案28-30 2.3 四天线系统与八天线系统设计30-37 2.4 仿真与测试结果37-41 2.5 小结41-42第三章 多探头暗室MIMO-OTA系统的低复杂度优化设计42-60 3.1 引言42-44 3.2 系统结构44-45 3.3 探头选择优化方法45-50
3.3.1 信道模拟目标46-47
3.3.2 探头辐射功率向量优化47-48
3.3.3 探头组合优化48-50 3.4 仿真和测试结果50-58
3.4.1 仿真结果及分析50-55
3.4.2 实测验证结果55-58 3.5 小结58-60第四章 多探头暗室中三维信道模型模拟的研究60-75 4.1 引言60-62 4.2 三维暗室中的探头辐射权值优化方法62-64 4.3 三维暗室系统中的探头位置优化与分析64-71
4.3.1 探头环垂直角度间隔65-67
4.3.2 各个探头环上探头个数比例67-70
4.3.3 不同探头环上探头水平方位角70-71 4.4 三维信道模型的空间相关性验证71-73 4.5 小结73-75第五章 辐射两阶段法分析与系统建设验证75-90 5.1 引言75-77 5.2 系统框架与测试流程77-79 5.3 天线方向图测量参数分析79-83 5.4 系统搭建及实测验证83-88
5.4.1 方向图测量及下行功率校准84-85
5.4.2 信道空间相关性验证85-87
5.4.3 吞吐量实测验证87-88 5.5 小结88-90结束语90-92参考文献92-98攻读博士学位期间取得的研究成果98-99致谢99-100作者简介100
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不可或缺的终端天线OTA测试
1 、何为终端 OTA 测试
天线的 OTA （ OverThe Air ）测试，可以理解为对终端空中辐射和接收特性测试。这对于确保终端性能是重要的，雷军先生在小米手机发布会的 PPT 有一页就是 “ 怎么握都有信号 ” ，要做到这一点，让消费者满意，做好移动终端的 OTA 测试是必要的。一般的 OTA 测试，实际上是将手机天线和手机整机，及其人体模型作为一个整体进行考虑。比如某公司就开发了用于 OTA 测试的人体头部（包括耳朵）、人手和躯干的模型，如图 1 所示。
图 1 可用于 OTA 测试的人体模型
2 、 OTA 测试系统
一般 OTA 测试系统包括转轴定位装置及其全电波暗室，由于移动终端体积较小，所以相应的电波暗室体积要比基站天线测试用的电波暗室体积小，建造成本也相对较低。测试系统如图 2 所示。
图 2& OTA 测试系统
OTA 测试的参量包括总辐射功率 TRP （ TotalRadiated Power ）和总全向灵敏度 TIS （ Total Isotropic Sensitivity ），总辐射功率是通过转轴和定位系统，测量球面上各点的功率，然后通过累计计算得到总辐射功率，图 3 给出了两个 OTA 总辐射功率的测量结果。
图 3& OTA 的总辐射功率测量结果示例
总全向灵敏度 TIS 的测试方法是：在每一个测量点，测量为了达到一定的误码率（误帧率）而所需要的最小前向链路接收功率， EUT 处于最大功率发射，非便携式 EUT 只需要进行自由空间下测试，便携式还要进行人头模型条件下的测试，在 EUT 支持的每一个频段，要选高中低三个信道进行完整 TIS 测试。在满足最大间隔条件下对中间信道还要进行相对灵敏度测试，对于可伸缩天线的 EUT ，需要在两种条件下分别测试。通过控制 EUT 的位置，三维空间测量各点的空间接收灵敏度，通过积分计算球面上的平均值。图 4 给出了一组 TIS 测量结果的实例。
图 4& OTA 的总全向灵敏度 TIS 测量结果示例（显示的 Power 量纲为 -dBm ）
3 、 OTA 测试中的人头模型
在很多情况下， OTA 测试需要考虑依据人头模型进行手机天线定位，一般以左、右耳为旋转轴中心建立坐标系统，如图 5 所示。
图 5& OTA 测试中考虑依据人头模型进行手机天线定位
人头模型一般根据 IEEEStd 1528 标准，其中需要填充人体组织模拟液，人体组织模拟液在特定的频段上具有与人体组织液类似的介电常数特性，比如某种人体组织模拟液的组成成分如表 1 所示，其基本构成是浓糖水。
表 1& 一种人体组织模拟液的组成成分
重量百分百（ % ）
羟乙基纤维素
4 、 LTE 时代引入 MIMOOTA
在 LTE 时代来临之际，
需要对具有 MIMO 技术的终端进行 OTA 测试，如图 6 是加入人体模型的 MIMOOTA 测试场景，该测试需要在全电波暗室中完成，为了防止用于支撑的金属框架的反射电磁波，金属框架靠内的一侧还需要加装吸波材料尖劈。
图 6& 加入人体模型的 MIMO OTA 测试场景
在 MIMOOTA 测试中，下行模拟信号由基站模拟器（移动通信综合测试仪）提供，上行和下行信号可以通过射频开关矩阵连接到基站模拟器，如图 7 所示。
图 7& MIMO OTA 中的射频连接
具有无线局域网或移动通信功能的平板电脑、笔记本电脑也需要进行 OTA 测试以验证其性能，如图 8 所示。
图 8& 笔记本电脑的 OTA 测试
5 、泰尔实验室的 OTA 测试
中国泰尔实验室在 OTA 测试方面进行了深入研究，在理论研究、标准化和测试实践方面都走在前列，承担这些工作的主要是中国泰尔实验室无线终端天线部。
中国泰尔实验室设计并建设了高性能 “L” 型暗室 建设，如图 9 所示， “L” 型电波暗室为世界首创 ,“L” 型的两边分别为互相垂直布置且相通的 OTA 测试暗室部分和全电波暗室部分，在所述两个暗室部分的交汇处安装一套转台和被测设备的支撑装置。该暗室不仅能满足进行 OTA 测试与全电波暗室电磁兼容性测试的性能要求，而且可显著的提高 OTA 测试暗室和全电波暗室的性能指标，并降低暗室建造成本、
提高利用率。其整体性能均优于国际标准要求，锥形区域可作为天线暗室进行 OTA 测试及天线校准，纹波指标 1.22dB ，优于国际指标 1.6dB 。
图 9& 中国泰尔实验室建造的 “L” 型暗室
纹波指标是确保测试场地有足够的静区性能所需要进行的测试，该测试是描述暗室的反射引起的特性变化的。该指标越小，最后测量不确定度越小，一般 OTA 实验室纹波指标为 1.6dB 。
此外，中国泰尔实验室还建立了三维自动测试系统，定位精度为 0.01 度，定位装置如图 10 所示。
图 10& 中国泰尔实验室 OTA 测试系统的定位装置
中国泰尔实验室的 OTA 测试系统， TRP 测试不确定度可以达到：自由空间模型， &1.14dB ；人头模型， &1.60dB 。 TIS 测试不确定度：自由空间模型， &1.45dB ；人头模型， &1.84dB 。
在 OTA 测试方面，中国泰尔实验室创造了多项第一：建成了国内第一个 OTA 测试系统；自主研发了一整套无线局域网设备的 OTA 测试系统和相应测试方法，成为全球第一家可以完成此项测试的实验室；在国内第一个完成了 MIMO OTA 的测试实验，且向 3GPP 等标准化组织提交文稿多篇。其完成的项目 “ 《移动台空间射频辐射功率和接收机性能测量方法》等 11 项国际标准和行业标准 ” 获得 2010 年度中国通信标准化协会科学技术一等奖。
以上内容来源于《移动通信天线技术与工程应用》第四章 4.3.4 节，人民邮电出版社。
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