LTE終端天線設計及測試淺析

張麗云，肖征榮，劉澍

（1.中國聯通研究院，北京 100032；2.北京航天發射技術研究所，北京 100076）

1 MIMO天線概述及其現狀

隨著移動通信技術的不斷發展，手機已經成為大眾生活中不可缺少的通訊工具之一。日益增長的數據業務需求，使用戶對無線通信系統的傳輸速率、傳輸質量等提出了很高的要求。為了滿足用戶的要求，目前最有效的方式就是用最少的頻率資源傳輸更多的信息并減少其他無線電干擾。MIMO技術是LTE無線移動通信關鍵技術之一，受到了越來越廣泛的關注，天線作為MIMO通信系統中的重要組成部分，在整個終端系統中起到了不可小視的作用。

相比于傳統手機天線，LTE手機MIMO天線設計更加困難，這是因為在LTE手機中，一般會包含主天線、分集天線（輔天線）、WLAN天線、GPS天線、NFC天線等，由于LTE手機天線可利用的空間十分有限，將主、輔天線都集成到有限的空間中，會產生很強的互耦，這會影響天線系統的性能，導致MIMO天線輻射功率減小。因此設計一款LTE手機天線比設計一款單天線手機困難的多。

2 MIMO天線技術

目前，LTE多天線終端只在下行接收情況下才會讓主、輔天線同時工作，從而提高終端數據下載量，而在上行發射時，依舊只有主天線工作。也就是說現階段的多天線終端只能做到多天線接收與單天線發射（MISO）。

傳統終端天線是根據天線原理進行設計的，加上設計工程師自身的經驗，通過建模仿真、數值計算來確定天線各參數的初始值，再根據初始值制作初始實物天線，通過無源測試對天線的設計進行調整。而對手機MIMO天線而言，由于MIMO天線間的互耦無法根據公式事先計算得到，所以使用建模計算這種傳統設計方法是行不通的；其次，由于MIMO天線系統的性能是多徑衰弱條件下，傳輸環境和天線的輻射、接收性能來增加系統容量的。因此對于MIMO天線的性能，需要對傳播環境進行研究；另外，現實世界的場景中衰落路徑是十分復雜的。

天線系統和信道配置原理圖如圖1所示：

圖1 天線系統和信道配置

LTE終端中MIMO天線性能好壞會影響終端傳輸的可靠性與有效性。因此，有必要針對終端MIMO天線性能進行評估，這樣可以為終端MIMO天線設計提供理論依據。

3 MIMO天線測試

（1）傳統天線測試參數

傳統單天線有源測試指標主要對單天線進行發射和接收性能評估測試，其中發射特性為總全向轄射功率（Total Isotropic Radiated Power），接收特性為總全向接收靈敏度（Total Isotropic Receiving Sensitivity），這2項指標分別表征了整個移動終端設備進行發射和從基站接收信號的能力強弱，這2項指標可以有效評估單天線終端在實際使用狀態中的收發性能。

（2）MIMO天線主要測試參數

對于MIMO天線OTA測試來說，目前還沒有統一的測試標準，MIMO天線OTA測試與單入單出SISO天線測試相比，除了測試單天線發射和接收性能外，主要增加了在不同的衰落情況下，MIMO系統的吞吐量。但在測試過程中干擾源的出處是很難確定的，干擾源究竟是來自外部環境，還是內部干擾，因為只有確定了干擾源的出處，才能準確地評估終端的吞吐量。

4 測試方案

目前用于終端MIMO OTA測試的方案有三、四種，本文只對其中的2種方法加以介紹，這2種方案都有自身的優缺點，且每種測試方法都需要相應的改進方案。第1種測試方法是混響室測試方法（reverberation chamber method），第2種測試方法是兩階段法（two-stage method）。下面對這2種測試方案進行分析。

4.1 混響室測試方法

混響室測試方法是一種新型的測試方案，混響室是一個帶有攪拌器的金屬腔體，它通過攪拌，在被測設備（DUT）周圍形成隨機的均勻多徑場，產生來自各方向的均勻分布場。由于混響室提供了充足的多徑環境，從而成為了評估多天線性能的理想方法之一。

將被測器件放入腔體中，確保它產生的全部輻射都保留在腔體里，通過使用可動金屬板（通常為旋轉槳葉的形態），可以改變腔體內駐波模式的邊界效應條件。這樣可以保證無論輻射向哪個方向發射，都可以檢測到輻射功率。

其中攪模技術包括：

（1）由2個正交金屬片構成的機械攪拌器，通過將金屬片緣腔體的整個高度和深度移動可以獲得大量數目的獨立場分布。

（2）平臺攪動，與待測物位置固定的狀況比較，通過讓待測物在腔體內做圓周移動可以測得更多的獨立取樣。

（3）極化攪模，通過使用3個固定的、相互正交的單極子天線，測試3個天線上的信號功率。

（4）頻率攪模，通過在頻率上進行平均能進一步提高測試精度。

實際測試中，需要用一個已知輻射效率的天線作為參考天線進行測試，參考天線在腔體內的位置至少距離腔體壁或攪拌板λ/2，在連續攪拌狀態下，測量參考天線。

混響暗室測試速度比傳統的微波暗室要快，但是多徑環境是真實世界中不常見的場景且它的傳輸延遲并不是LTE網絡的典型傳輸延遲。為了解決這一問題，目前混響室方法開始研究引入信道模擬器來實現仿真更長的時延和衰落。另外，混響暗室無法收集到天線輻射場型。混響室方案原理圖如圖2所示：

圖2 混響室方案

4.2 二階段方案

二階段測試方法通過測量被測設備中每根天線單元的矢量方向圖信息，將得到的幅度和相位信息添加入信息模型中計算，即利用傳導測試的方式評估期望的輻射性能。

二階段法的第1階段是使用基站仿真儀表模擬LTE基站信號，在消聲室中對天線進行測試，當消聲室中設備旋轉時，測量天線增益。得出的測量數據可用于生成3D或2D的天線方向圖，由于第2階段不支持自干擾測試，所以自干擾測試須在第1階段完成。借助兩步法，在收集到天線方向圖數據之后，就不再需要使用消聲室來執行測試。這意味著無需占用消聲室過多的時間，一旦完成第1個階段MIMO OTA測試，就可將它移做別用。

在第2個階段，不需要用到暗室，所以可消除先期認證測試的一大瓶頸。二階段法的第2個階段，結合第1階段測試的天線方向圖，根據MIMO信道模型，用測量得到的天線方向圖，仿真第1階段MIMO信道模型。二階段法能完成的測試項有吞吐量、TRP和TIS、CQI和BLER、天線效率、天線相關性及MIMO通路容量。二階段方案示意圖如圖3所示：

圖3 二階段方案

由于測量矢量方向圖需要借助設備芯片在UE端測量其天線方向圖，這就需要對被測設備進行修改，另外線纜的引入也會對天線的輻射性能帶來一定的影響，外部因素的影響在OTA測試中應該盡量避免。為了解決這一問題，目前考慮采用射頻芯片自身的功能收集天線的輻射功率和相位的方向圖信息。對于MIMO OTA條件是靜態的，功率測量的線性度對結果有影響，這可以在后期進行線性化處理，相位測試在以前的測試中沒有類似的測試，可以在UE端得到高精度測試結果。天線圖測試階段的兩階段法的優勢在于可以從另外的途徑實現任意的三維場景仿真。

4.3 兩種方案的分析比較

通過以上兩種測試方法的介紹，其中二階段測試方案是基于暗室環境下測試的，混響測試方案是在混響室環境下進行測試的。由于目前還沒有明確哪種方法能作為相關標準，雖然CTIA的目標是在2013年中期完成1個測試方法的標準化，3GPP可能會額外地規定使用標準中測試方法的性能，但這可能會花費大量的時間，以單天線（SISO）系統為例，3GPP在完成測試方法的標準化以后，還是用了大概3年時間才在網絡運營商與UE廠商間就性能要求達成一致。對于MIMO OTA而言，在性能要求上達成一致將會非常困難，相關性能比較如表1所示：

表1 性能比較表

從技術層面看，無論終端廠商還是運營商都希望能盡可能地模擬實際環境，從而達到最優方法進行測試。但到目前為止，還沒有一種方法能驗證它與已知天線的精度對比結果，因此也沒有定義出哪些因素會對測試結果產生影響。雖然能對一些對測試結果有明顯影響的因素進行評估，但是有很多細微的因素，如在測試空間內信號相關度是否能達到給定要求的靜區尺寸等，目前很難驗證其對測試結果是否有影響。

從成本方面考慮，能節約成本是很多廠商的首選。多數天線暗室方案的演進也是基于節約成本來考慮的，目前針對測試系統的簡化程度還沒有完全量化、清晰化。

5 結束語

天線作為通信系統與傳播信道連接的部分，其輻射和接收特性決定著MIMO系統利用多徑的方式，對終端進行整機MIMO OTA測試是技術發展的必然趨勢。對于終端廠商和運營商來說，選擇正確合理的測試方案，對終端產業發展會起到不可或缺的作用，所以無論終端廠商還是運營商，都應對MIMO OTA測試高度重視，從而使用戶能用到通話質量好，數據業務流暢的終端。

[1]CTIA. Test Plan for Mobile Station Over the Air Performance V3.0[S]. 2009.

[2]張林昌. 混響室及其進展[J]. 安全與電磁兼容, 2001(4).

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