LTE移动终端天线技术及测试

1引言
近年，伴随着无线通讯技术的发展和无线移动终端的普及应用，新通讯系统不断追求更高的数据传输速率和更大的信道容量。

在全球范围内，以WCDMA、TD-SCDMA和CDMA为代表的3G技术向长期演进技术（Long Term Evolution，LTE）及LTE-Advanced为代表的4G技术演进。

2013年底中国政府正式向中国移动、中国联通和中国电信发布TD-LTE牌照，开启了中国LTE商用的新纪元。

LTE系统在物理层采用正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）和多输入多输出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）天线等作为关键技术，具有更高的数据速率。

传输信道理论峰值速率可达上行75Mbit/s、下行300Mbit/s。

而LTE-Advanced进一步采用了载波聚合（Carrier Aggregation，CA）、多层空间复用（Multi-layer Spatial Multiplexing）等技术，理论峰值传输速率得到提升，可达上行1.5Gbit/s、下行3Gbit/s。

作为商用的LTE移动终端，必须满足多模多频的需求，而天线必须兼顾宽带化小型化的要求。

LTE移动终端一般要求内置天线，至少两个以上的接收天线，多通道RF接收信号处理能力，可支持LTE、GSM、CDMA、WCDMA、TD-SCDMA等多种制式，并实现多种模式之间/语音和数据业务之间的切换。

从天线设计层面，LTE终端产品频率覆盖范围更宽（从700MHz到2.7GHz）。

一方面市场要求小巧精致的ID设计、高质量的用户体验；另一方面频率较低的700MHz频段需要较大的天线尺寸，MIMO天线系统的双天线以及射频高性能指标（高隔离度、低相关性系数等）的要求导致产品尺寸增加，这两方面的矛盾使终端天线设计和测试成为LTE移动终端的一个关键技术难点。

2LTE移动终端天线技术
MIMO多天线技术成为提升数据速率的核心特征，泛指一种多输入多输出技术，即在无线通信系统的接收端和发射端都配备多个天线端口，创造出多个并行空间信道，多个信息流经过多个信道在同一频带同时传输，从而增加系统容量。

具体的LTE/LTE-Advanced中的下行传输模式（Transmission Mode）包括单天线发射、发射分集（Transmission Diversity）、空间复用（Spatial Multiplexing）、波束赋形（Beamforming）等。

LTE最大可支持下行4×4MIMO模式，而LTE-Advanced最大支持下行8×8MIMO，即LTE-Advanced 终端最大可以有8个接收天线，并通过使用多天线来增加空间维度，从而实现多维信号处理，获得空间分集增益或空间复用增益。

由于终端系统复杂度和成本的限制，目前主流LTE终端多配置2MIMO天线（主天线发射/接收+副天线接收）。

几种典型终端的天线布局如图1所示。

未来跟随技术的发展，将会出现配置有4MIMO天线的LTE终端（主天线发射/接收+3副天线接收，或2主天线发射/接收+2副天线接收）。

对于LTE终端天线，常用的天线性能参数仍然有效，具体可分为如下3类：
●无源性能指标：辐射效率、电压驻波比、增益等。

●有源OTA（Over The Air）性能指标：全向辐射功率（Total Radiated Power，TRP）、总全向灵敏度（Total Isotropic/Radiated Sensitivity，TIS或TRS）、中间信道（Intermediate Channel）灵敏度等。

●SAR（Specific Absorption Ratio）/HAC（Hearing Aid Compatibility）指标。

2.1分集性能
终端分集接收是3G系统的主要技术。

其思想是在衰落信号环境下，通过提升合并多路接收信号来提
LTE移动终端天线技术及测试
张璐中兴通讯股份有限公司西安研发中心高级工程师
刘卫刚中兴通讯股份有限公司西安研发中心高级工程师
摘要LTE/LTE-Advanced技术正在全球获得普及和应用。

本文重点关注LTE/LTE-Advanced关键技术MIMO天线技术，并对其所带来的天线测试技术的更新和进展进行了分析。

关键词LTE/LTE-Advanced技术无线移动终端天线测试MIMO
高信噪比和通讯质量，尤其适用于在低信噪比（如小区边缘）情况下。

常用分集算法包括选择式合并、等增益合并和最大比合并等。

分集性能通常通过分集增益（Diversity Gain ）来体现，具体的定义如公式（1）：
分集增益和天线之间的相关性有关，天线之间相关性越小，分集增益越高。

2.2天线平衡性及隔离度
MIMO 空间复用技术是通过发送并行的空间独立数据流来提高信道容量。

对于终端接收，MIMO 空间复用技术常常受到天线因素的限制。

这是由于MIMO 天线系统要求各天线具有平衡的射频和电磁性能以及低互耦性能。

天线间互耦的物理机制主要有3种：天线辐射近场直接耦合、地板电流耦合、天线激励表面波耦合。

天线互耦由隔离度（Isolation ）指标来衡量，实际数值由S12（或S21）参数测定。

天线的平衡性可由各个天线指标（辐射效率、增益、TRP 、TIS ）之间的差值来衡量，如下行MIMO 吞吐量所关注的平衡性通常由各个接收天线之间TIS 的差异体现。

在传统MIMO 系统中，各天线间距通常在半波长上。

对于无线终端产品受限的整机尺寸，这个间距难以达到。

为此，对近距离放置天线，使用高隔离度措施（如去耦网络技术等）可提高天线的辐射效率。

2.3天线空间相关性
多天线的空间相关性影响MIMO 系统优劣，天线空间相关性直接影响MIMO 信道矩阵的秩。

天线包络相关性系数（Envelope Correlation Coefficient ，ECC ）是反映天线之间空间相关性的量化指标。

ECC 的定义通常基于远场辐射方向球面积分的Clarke ’s 公式（2）。

其中，ρe 为计算出的ECC 值，E MA 和E SA 分别为主、副天线的复数方向图，P 为入射场辐射强度（给定方向上单位立体角里的辐射功率），下标q 和j 分别代表垂直和水平极化分量，XPR 为入射场交叉极化比，*代表复数共轭算子。

包络相关性系数体现主、副天线接收复方向图在三维空间上的交叉相关性，具体表明两天线的幅度和相位方向图的相似程度。

在接收分集和MIMO 接收中，一般希望主副天线的辐射性能能够相互补充，并且两个天线的辐射方向图有较大的差别。

当ρe =0时，主副天线方向图没有相似性，此时接收能够达到理想最好效果。

由于终端天线辐射性能的限制，实际ECC 值分布在0～1之间。

特别的，在一定的预设前提情况下（入射场在空间均匀分布，两天线高辐射效率且具有相同平均有效增益），天线包络相关性系数可简化为通过S 参数计算如公式（3）：
相对于基于远场的计算公式（2），该公式形式更简单易用，但对S 参数测试精度要求较高。

图1典型的
LTE
终端产品天线布局
（左：数据卡，中：uFi ，右：手机）
2.4载波聚合
载波聚合是LTE-Advanced中的一项关键技术。

其思想是把多个载波聚合成为一个更宽的频谱，或者把不连续的频谱碎片聚合在一起，能最大支持100MHz 的传输带宽，提高数据传输速率，同时对运营商的频段资源进行有效的利用。

根据聚合载波的位置分为同带连续聚合（Intra-band Contiguous CA）、同带非连续聚合（Intra-band Non-contiguous CA）和异带非连续聚合（Inter-band Non-contiguous CA）3种方式。

载波聚合技术增加了天线设计和测试的新难度。

针对发射性能，在载波聚合中最大发射功率是终端所有天线端口发射功率的总和。

考虑到SAR指标和多载波传输的系统性能需求，标准规定LTE-Advance终端总最大发射功率需要LTE终端一致。

针对接收性能，载波聚合技术带来的灵敏度损失需要关注：同带载波聚合会导致发射—接收之间间隔缩小，从而导致接收部分杂散噪声增大，接收灵敏度降低；对于异带载波聚合，不同的频带之间不再遵从上下信号加保护带宽，但频带的上行信号的邻道、谐波或者上行信号的互调产物会落到下行信号中，形成新的干扰。

这些因素最终都会对终端天线的OTA指标造成影响。

2.5可调天线技术
为了满足LTE系统对终端小型化天线带宽（从700MHz到2.7GHz）的要求，可调谐天线技术是目前热门的方向。

其具体思路是针对不同的工作频段，调整或者选择不同的匹配电路或者天线谐振部分，在有限的空间内提高终端天线的性能（尤其是低频段）。

当前，业界应用有开环匹配调谐方案，包括Murata 的ATD、OnSemi/ST BST电容、Ethertronics、RFMD、Skyworks等方案。

闭环匹配调谐方案主要有TDK-EPCOS、Peregrine Semiconductor DuNE、Qualcomm的QFE1520等方案。

基于天线辐射体可调方案有Skycross ST-iMAT、Cavendish Kinetics等方案。

天线可调技术的发展，对未来相应的天线辐射性能测试和认证都将提出新的要求。

3LTE移动终端天线测试技术
根据3GPP TP37.902和国家标准《无线终端空间射频辐射功率和接收机性能测量方法》（YD/T1484.6部分）的要求，LTE终端的TRP和TIS测试方法沿用传统3G终端的SISO OTA测试方式，并和CTIA规定保持一致。

具体设置可参见TS34.114、TP25.914和TS25.144，LTE相关参数设置则参考36.101中关于功率和灵敏度测试的规定。

3.1天线隔离度测试
天线的隔离度需要在全波暗室进行测量以消除环境影响。

具体步骤为：校准矢网双端口，待测两天线端口连接带铁氧体扼流环的射频线，再通过射频长线连接到矢网P1/P2端口，非测试天线端口连接50Ohm匹配负载，通过矢网进行S21参数的测量。

整个测试系统搭建如图2所示。

3.2分集和MIMO接收测试
为了保证终端分集接收性能，Qualcomm建议主副天线之间的差异在6dB之内。

在实际测试中，可以通过混响暗室直接测量无源下主副天线的分集增益。

混响暗室（Reverberation Chamber）是模拟终端天线实际的真实电磁信道环境。

混响暗室方法具体通过测量各天线散射参数，对应特定的衰落点，确定发生概率，分别统计出合路和分路累计分布概率（Cumulative Distri-bution Probability，CDP），而二者之间的差值，就是分集增益。

根据公式（1），混响暗室厂家Bluetest还定义了以下3种分集增益：
●有效分集增益（Effective Diversity Gain）：定义为合路SNR值与理想天线SNR相比的增益，即选用合路的CDP和具有100%效率天线CDP的比值。

●实际分集增益（Actual Diversity Gain）：合路的CDP和有损耗的天线CDP的比值。

●表现分集增益（Apparent Diversity Gain）：合路的CDP和主副天线单路CDP的比值。

MIMO
空间复用工作模式对主副天线间平衡性要图2终端天线隔离度的测试方法示意图
求高。

一般用主路、副路单独TIS 的差异予以衡量。

例如运营商Verizon 和V odafone 要求LTE 终端天线主路、副路单路灵敏度之间的差异小于3dB 。

在外场测试环境中，还可以通过主副天线两路的接收参考信号强度（Received Signal Strength Indicator ，RSSI ）、CQI （Channel Quality Indicator ）、SNR/SINR 之间的差异，来判断分集和MIMO 接收性能。

一般的，当主副通路之间的差异超过10dB ，即可认为分集接收性能失效。

3.3MIMO OTA
MIMO OTA 的测试标准和要求由3GPP 、COST 和CTIA 组织制定。

最新进展可参见3GPP 的TR 37.976文档。

该文档定义HSPA 和LTE 系统MIMO OTA 5类性能指标（Figure of Merit ）（见表1）。

从表中可以看出，MIMO OTA 的首要测试指标为衰落信道下的MIMO 吞吐量测试。

3GPP TR 37.976目前候选的MIMO OTA 方案可分为以下3类：
●全波暗室（Anechoic Chamber ）多探头方法：单簇探头法、环形探头法、双信道法。

●混响暗室方法：混响暗室、混响暗室+信道模拟器方法。

●多阶段方法（Multi-stage Method ）方法：两阶段法、天线法。

全波多探头方法具有较好的测试配置灵活度和测试精度，缺点是造价高昂。

可用设备有ETS 公司的AMS-8700/8900系统，Satimo 公司的StarMIMO-H/HU 系统。

混响暗室方法造价相对便宜，但是对于衰落信道类型和参数配置不灵活，测试精度较低。

可用设备有Bluetest 和Emite 公司的产品。

多阶段法主要由Agilent 公司推动，设备配置最简单。

原理是将天线方向图和衰落信道模拟器仿真合成后，对终端进行传导吞吐量测试，测试模型和终端实际使用场景差别较大。

目前，3GPP 和CTIA 还在继续对MIMO OTA 课题进行深入研究。

相应国家标准《终端
MIMO 天线公共性能要求和测量方法》（YD/T 1402-2012）也在审定中。

另外，天线空间相关性的测量也是LTE 终端天线的重要参数指标。

目前，测试天线包络相关性系数主要有两种方案：无源和有源方案。

无源测试具体的步骤是：在全波暗室中分别测量主、副天线的复数无源方向图，根据主副天线复方向图数据，根据不同的入射场功率分布函数P 和交叉极化比XPR ，代入公式（2）中进行积分计算。

目前，ETS 和Satimo 暗室均有ECC 计算模板。

可选的功率分布函数有均匀分布、高斯分布和拉普拉斯分布等。

这种方法的缺点是需要额外准备无源样机治具，结果受射频连接器影响大。

用混响暗室方案也可以用来测量反映天线相关的参数，但此时入射场功率分布函数不能确定，因此和公式（2）结果是有区别的。

有源方案基本思想是采用CTIA V3.0中的RSS （Received Signal Strength ）方法，测量主天线和副天线的复数接收方向图。

终端必须保存或上报每个角度上的下行信号幅度RSSI 和相位PHASE 信息，以保证测量时或测量后读取。

测试完成后，通过在有源模式下测量的复数方向图信息计算ECC 值（具体步骤可参考TP36.976附录B.4.3）。

有源方案需要终端芯片支持上报功能。

目前，Rohde &Schwarz 和Qualcomm 合作推出的RS TS8991OTA 测试系统，即可完成Verizon OTA 测试用例中要求的有源TRP 、TIS 和ECC 的测试。

对于LTE ECC 的指标，不同的运营商也有明确要求。

例如Verizon 要求B17的ECC 不超过0.5。

V oda-fone 要求手机类ECC 不超过0.3等。

图3所示为某配置有下行4MIMO 天线数据类产品ECC 测量值。

可以预见，随着测试系统的完善和普及，终端天线ECC 将成为必需的测试项。

3.4LTE 多模多频终端互扰测试
LTE 终端具有多模多频工作特性，
模式之间的互扰成为急需解决的问题。

互扰测试的思想是对比OTA 测试体系中指标的差异。

具体通过测量多模终端某一模组在有无其他模组工作时的OTA 灵敏度变化量来评定其受干扰的程度，尤其对于多模多待机需要进行电磁干扰测试。

国家标准《电磁干扰技术要求和测试方
表1LTE OTA 5类性能指标
法》（YD/T2436）正在制定中，具体研究双模终端TD-LTE（Band38/39/40/41）模组和GSM模组、TD-LTE （Band38/39/40/41）模组和TD-SCDMA模组之间的互扰测试方法，并对高中低信道的灵敏度减低上限做了严格限定。

对于配置有Wi-Fi的LTE数据类产品（如数据卡、uFi等），还需要考虑数据模式下LTE和Wi-Fi的互扰。

例如LTE Band40，LTE Band26的3次谐波均会和2.4G Wi-Fi模块发生互扰，从而降低Wi-Fi天线的灵敏度。

因此，互扰测试对保证LTE终端天线性能是非常重要的。

3.5载波聚合下的天线测试
根据3GPP TP37.902v11.0.1中4.1章的建议，未来对于带有载波聚合、上行发射分集、上行MIMO功能的LTE终端OTA测试，TRP和TIS的测试也采用SISO OTA方式。

运营商AT&T在最新的设备需求中，对载波聚合下的灵敏度做了初步规定：在载波聚合情况下，天线单路灵敏度的降低符合3GPP标准对CA情况下参考信号灵敏度降低的额度，参考TS36.101第7章表格7.3.1-1A。

例如，在CA_2A-17A的载波聚合配置下，Band2的灵敏度允许0dB降低，而Band17灵敏度允许有0.5dB降低。

但AT&T不排除CA工作下存在的其他自干扰情况，因此要求必须对CA下的TIS进行量化估计。

由于TS36.101仅仅对CA下射频传导指标做出规范，未来针对天线的耦合类TIS指标，业界和标准组织后续将有更深入的研究和标准制定。

3.6多发射机同时发射的SAR测试
LTE/LTE-Advanced中上行MIMO和载波聚合技术的发展，使得未来终端必然存在多发射机和多天线同时传输的情况。

由于终端类产品通常在靠近人体的场景下使用，要考虑到天线辐射安全，需要控制SAR和HAC以满足FCC或CE法规要求。

目前，FCC 和CE均有相应的多天线SAR测试指导文档。

FCC文档KDB648474给出了多发射机和多天线评估方法和流程；CE文档IEC62209-2-2010给出了多发射模式SAR评估和合并方法，这些都可作为未来LTE多发射机终端SAR测试的参考。

多发射机同时发射SAR测试的基本思路是先测试各个发射机独立工作时候的SAR值，在根据合并准则对多个最大值叠加合并后，判断是否满足标准。

4结束语
LTE/LTE-Advanced技术的出现，对无线终端天线的设计和测试提出了新的挑战。

天线隔离度、分集/ MIMO接收性能、MIMO OTA、天线空间相关性、多模多频互扰、载波聚合下的OTA和多发射机同时工作的SAR测试，均为天线相关测试的重点课题，也将成为保证LTE终端性能的关键。

参考文献
13GPP TP37.902.V11.0.1
23GPP TP37.976.V11.0.0
3YD/T1484.6.无线终端空间射频辐射功率和接收机性能测量方法
4YD/T1402.终端MIMO天线公共性能要求和测量方法
5YD/T2436.
电磁干扰技术要求和测试方法
图3某4MIMO数据类产品ECC测量值（B41，均匀入射场模型）
LTE Terminal Antenna Technology and Testing
Abstract LTE/LTE/Advanced technology is gaining great momentum on global market and wireless industry.This paper focus on key technology features,especially the MIMO technology,for wireless terminal antennas in LTE/LTE-Advanced wireless system.The new requirement and development for the antenna-related test methodology are analyzed.
Key words LTE/LTE-Advanced technology,wireless mobile terminals,antenna,test,MIMO（收稿日期：2013-12-26）。