终端生产中整机天线测试具体方案的研究

终端生产中整机天线测试具体方案的研究

谭敏

(北京信息职业技术学院 电子工程系，北京100015)

摘要：终端生产过程中的整机天线测试方案，满足发现生产一致性问题的测试要求简单可行。对工厂耦合板测试的具体实施方案，如测试信号，测试频点，发送功率，耦合板和被测天线的相对位置，门限等进行研究，证明天线耦合板测试方案简便有效，切实可行，能真正起到在工厂生产阶段发现终端整机天线问题的作用。

关键词：整机天线测试；生产一致性；天线耦合板；相对耦合位置；门限

收稿日期：2015-03-29

作者简介：谭敏(1975-),女，湖南湘乡人，北京信息职业技术学院电子工程系讲师，高级工程师，研究方向为移动通信。

中图分类号：TN87

0引言

在手持终端的生产过程中，为了保证产品的出厂品质，往往需要检测天线和相关电路与结构的好坏。天线位于整个终端电路的最前端，它的性能在很大程度上决定了整机的性能。天线不良将导致终端收发信号变弱，直接影响通信的质量，并增加整机的功耗。造成天线不良的原因有下面几点：1. 天线匹配电路缺件或者虚焊；2. 天线本身品质不良，属于漏出厂的不良品或运输中被损坏；3. 天线与终端联接接触不良；4. 天线周围电子结构有问题。

终端整机天线测试的方法通常有微波暗室测试，TEM CELL(Transverse Electric and Magnetic cell)测试法。这两种方法都旨在模拟一个理想空间的天线测试环境，一方面屏蔽消除外部干扰对天线的影响，另一方面用内部的吸波材料吸收入射波，减小反射波。微波暗室天线测试系统造价比较昂贵，一般要百万以上，对于手机天线的测试比较精确而且比较系统，其测试指标可以用来衡量一个手机天线的性能的好与坏，主要在天线设计和验证时使用。TEM CELL测试采用三角锥，由于空间限制，TEM CELL的吸波材料比较薄，对入射波的吸收不是很充分，因此会导致测试的结果不精确。TEM CELL的高度也不够，导致被测终端与测量天线间的距离小于理论值。所以TEM CELL只能对天线做定性的而不能做定量的分析。工厂测试不同于天线设计或者验证阶段的测试，关心的是整机天线的生产一致性问题，不需要对整机天线性能做定性或者定量研究，简便经济型的方案最好。

1概述

针对我们关心的生产一致性问题，整机天线收发功率的差异是一个很好的体现指标，研究表明，该指标采用近场测试就能达到。

天线耦合板能对多种形态(鞭状，内置)的整机天线进行近场测试。耦合板与被测设备天线间间距可以很小，要求的夹具体积小，需要的屏蔽盒也小，整个天线测试的成本较低。

终端的结构和天线一旦确定，近场就可以确定。我们的方案是：通过天线耦合板，近场测量天线发送或者接收的功率，与Golden Sample对比，来区分整机天线的好坏。这就要求我们结合测量精度，制定一个合理的门限标准，高于这个功率标准我们认为产品符合生产要求，低于这个标准说明天线与相关器件有问题。

以发送天线的测试为例，我们设计的方案如下：用测量仪表(如罗德的MCU200)连接天线耦合板的高频头，设计夹具固定耦合板和手持终端的位置，两者的相对位置需要实践摸索，最后把夹具放入屏蔽盒中。测试时，终端天线发送功率，耦合板接收功率，通过耦合板连接的仪表得到接收功率的大小。考虑到功率耦合的插损和终端天线方向性等细微差异，设定一个接收功率的合理范围，接收功率在该范围内，我们认为终端天线部分优良，否则认为不良品。

2天线耦合板简介

天线耦合板是用于耦合测试仪器与被测无线终端设备，进行相关测试的天线耦合器，内部是平板天线。

我们采用的天线耦合板是TESCOM公司生产的TC-93020平板型(如下图)，该耦合板的工作频带为80～2650MHz，耦合插损为8～20db，不同频段耦合损耗有差异。

图1　TC-93020A平板型天线耦合器

天线耦合板分测量区(图1中深灰色部分)和装配区(图1中浅白色部分)。测量区是内部平板天线所在的区域，也是接收功率的区域。装配区则用于测试时固定安装，既可将其本身固定至夹具中，也可在其上安装固件来固定测试终端。

3具体测试方案

以LTE手持终端鞭状天线的测试为例，测试连接简图如下：

图2　天线工厂测试连接简图

具体的测试方案涉及多方面的设计，如测试信号，频点，发送功率，耦合板和被测天线的相对位置，门限等。

对于发送天线，我们通常采用终端天线发(功率)，耦合板接收的方法来检测，因为仪表的测量精度相对高些。对只具备接收功能的单方向天线，就只能采取仪表发送(功率)，终端接收的方法来测量了。因为功率的统计由终端完成，统计误差相比仪表要大些，门限的制定也得宽些。

终端产品都有自己的工作频段，选择天线耦合板时，耦合板的工作频段要涵盖终端的工作频段。我们选取终端工作频段的中心频点来测试。对于多频段天线，我们最好分频段测量，各频段分别测试中心频点。

LTE(Long Term Evolution)制式终端发送天线检测时，终端按最大功率发送1.4M带宽LTE信号，如23dbm。接收天线检测时，仪表发送单音信号，功率则选择终端允许接收范围内的偏大些的，如终端最大接收电平-25dbm，仪表可选择发送-35dbm左右功率，以保证检测精度。终端接收通道采用RSSI功率统计功能来统计接收功率。

下面我们重点介绍这种天线测试方案两个最关键也最令人头疼的问题。其一，终端整机天线和耦合板的相对位置怎样算最佳；其二，好坏的判断门限怎么定。判断门限设定的是否合理，直接决定了整机天线测试方法的有效性。定得太严有可能拦截了好机子，降低了产线的直通率。定得太松又可能让坏机漏出，降低出厂终端的整体品质。相对位置的确定既直接关系着夹具的设计，又很大程度上决定了判断的门限。因而，终端整机天线和耦合板间相对位置的确定是我们需要解决的首要问题。

我们随机抽取大约二十个左右，收发通道功率都经过校准了的整机，在实验室进行耦合相对位置的摸索测试。针对不同的终端天线，鞭状天线或内置天线， 分别进行测

试。功率校准过的终端，功率发送或者接收RSSI(Received Signal Strength Indication)统计都比较准确，能为我们的测量结果提供保障。在工厂的生产流程中，单板校准环节必然排在整机天线测试之前，所以可以保证在天线测试时，终端的收发通道都是校准过这样一个所需的预置条件。我们终端的工作频率为1447～1467MHz，我们选取1457MHz作为测量频点。

耦合位置测试的预期目标是，找到一个耦合板与终端整机摆放的相对位置，在该位置上测得的耦合插损最小(表明耦合到的功率最强)，各个测试样机的测量值最收敛(说明该位置近场耦合情况稳定，便于制定较严格的测试门限)。简单的测试后发现，我们终端的鞭状天线和内置天线(两者基本处于一个平面)平行放置于耦合板平面时，夹具的设计最简单，并且在天线尽可能的贴近耦合板平面时，接收到的耦合功率最大。接下来，我们要在与耦合板最贴近的平面内寻找天线摆放的最佳位置。我们以耦合板的测量区中心点为中心，大致选取上，下，左，右，中心，左上，左下，右上，右下九个位置，调整终端的位置，让天线的物理中心点处在这九个位置上，分别测量功率。实验的结果表明，我们的终端无论是鞭状天线还是内置天线，天线的物理中心最贴近耦合板的测量区中心时，测得的耦合损耗最小(以1457MHz频点为例，我们测得的耦合插损大约是-15db)，二十个样机的测量值也最收敛，差异控制在2.5db以内。以鞭状天线测量为例，最终确定的终端和耦合板的位置关系参见图2，终端的底面紧贴耦合板面平行放置，鞭状天线的物理中心近可能靠近耦合板耦合区中心。

最佳的相对位置确定之后，就可以制作夹具了。因为我们终端的内置天线与鞭状天线分别处于终端的两端，内置天线的测试需要单独一块耦合板来测试。

接下来我们需要根据工厂的实测情况确定好坏门限。先制定较严格的门限，然后将工厂试制中被拦截下来的“坏机”放到微波暗室中进行天线效率，驻波等测试，看看整机天线的性能是否真在我们允许的范围之外。如果是，说明我们的门限制定合理，还可根据情况适当缩小门限再重复上面步骤。否则，需要适当放宽门限。这种调整可能需要进行多次，才能最终确定门限。实际的测试结果表明，以前期试产机测得的功率的中心值为中心，正负5db的门限基本合适。

以我们LTE手持终端鞭状发送天线的测试为例，配置MCU200的插损值为-16db，设置终端发送23dbm功率。试产测试样机大约30个，如果仪表接收的功率值比较集中，平均在22dbm左右，则产品天线合格的门限就设定为仪表接收功率17dbm～27dbm。

如果仪表接收到的功率值比较发散，不成正态发布，甚至超出10db的门限范围，则整机的天线性能可能存在问题，最好拿产出的一定数量的终端到微波暗室仔细测试一下。

4结束语

天线作为影响终端无线性能的非常关键的部件，在工厂进行生产一致性检测是非常必要的。天线耦合板测试方案简单方便，成本适中。本文在大量实验的基础上提出的工厂测试具体实施方案，如测试信号，测试频点，发送功率，耦合板和被测天线的相对位置，门限等，在工厂应用于鞭状天线和内置天线的测量时都达到了不错的效果。用该方法测试天线，结果稳定，同一个样机的多次测量值偏差在1db以内，不同样机的测量值差异范围在5db以内，能真正地起到在工厂生产阶段发现终端整机天线问题的作用。

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责任编辑：万方