OTA&SAR 测试简介

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1、目录目录w 前言w OTA测试介绍n手机的无源测试和有源测试nOTA测试的目的nOTA测试的发展w OTA测试及手机其他的主要参数nOTA测试中的主要测试参数及相关计算n其他有关的天线参数n各主要参数之间的关系w OTA测试系统及测试方法nOTA的测试系统nOTA参数的测试方法lTRP的测试方法及计算lTIS的测试方法及计算目录目录w SAR测试介绍nSAR测试的含义和目的nSAR的定义w SAR测试标准介绍nSAR手机测试标准nSAR Exposure Limits(暴露安全限度)nSAR标准的种类w SAR测试系统及测试方法nSAR测试系统nSAR测试位置nSAR测试流程及方法w OTA

2、测试中的TRP 和SAR 指标的制约关系 前言前言 本文根据收集的资料对OTA（Over The Air) & SAR (Specific Absorption Rate)测试进行介绍,主要阐述了OTA测试的目的及OTA测试的主要参数,以及对OTA测试系统和方法举例说明,其次介绍了SAR测试的目的及标准,并对SAR测试系统和方法加以说明,最后分析了OTA测试指标和SAR测试指标之间的制约问题及相应解决办法.OTAOTA测试介绍测试介绍w 手机的无源测试和有源测试 当前在手机射频性能测试中越来越关注整机辐射性能的测试，这种辐射性能反映了手机的最终发射和接收性能.目前主要有两种方法对手机的辐射性能

3、进行考察：一种是从天线的辐射性能进行判定,是目前较为传统的天线测试方法,程为无源测试；另一种是在特定微波暗室内,测试手机的辐射功率和接收灵敏度,称为有源测试.OTA测试就属于有源测试. 无源测试侧重从手机天线的增益、效率、方向图等天线的辐射参数方面考察手机的辐射性能.无源测试虽然考虑了整机环境(比如天线周围器件、开盖和闭盖)对天线性能的影响,但天线与整机配合之后最终的辐射发射功率和接收灵敏度如何,从无源测试数据无法直接得知,测试数据不是很直观. 有源测试则侧重从手机整机的发射功率和接收灵敏度方面考察手机的辐射性能.有源测试是在特定的微波暗室中测试整机在三维空间各个方向的发射功率和接收灵敏度,更

4、能直接地反映手机整机的辐射性能.CTIA (Cellular Telecommunication and Internet Association)制定了OTA (Over The Air)的相关标准.OTAOTA测试介绍测试介绍w OTA测试的目的 目前只有通过FTA (Full Type Approval)认证测试的手机型号才能上市销售,在FTA测试中,射频性能测试主要进行手机在电缆连接模式下的射频性能测试;至于手机整机的辐射发射和接收性能,在FTA测试中没有明确的规定,而OTA测试正好弥补FTA测试在这方面测试的不足.同时,终端生产厂家必须对所生产手机的辐射性能有清楚的了解,并通过各种措

5、施提高手机辐射的发射和接收指标.如果手机辐射性能不好,将产生手机信号不好、语音通话质量差、容易掉线等多方面的问题,这也是客户投诉比较多的问题. 在手机通话时,由于人脑靠近手机天线,将降低手机的发射和接收性能,手机整机辐射的发射和接收性能都会降低.在手机研发过程中应定量测量人脑对手机的发射和接收性能的影响,进行优化设计,使发射和接收性能降低不能太大,即减少人体和天线的电磁耦合效应. 为考察手机的辐射性能,除考察手机天线的无源性能之外,整机的有源性能也是一个重要的考察方面.当前整机有源性能越来越受到终端厂商的重视,因此在手机辐射性能的考察中应将两种辐射性能综合起来考虑.目前终端天线厂商在研发中一般

6、都要求天线供应商提供无源和有源测试报告.OTAOTA测试介绍测试介绍w OTA测试的发展 美国的CTIA (Cellular Telecommunications and Internet Association)是制定OTA测试标准的唯一组织.同时,也有其他的组织也参与到了该领域的测试,主要有PTCRB(PCS Type Certification Review Board)、3GPP(3G Partner Project)及COST 273.在北美只有通过OTA测试的手机才能在北美市场销售,目前欧亚的国家也越来越重视OTA测试重要性,相继展开相关测试实验室的建设工作. 在中国OTA测试目前

7、还不是一个强制的测试标准,但根据目前的趋势来看,OTA测试越来越成为手机终端厂商看重的测试数据.信息产业部通信计量中心(TMC)也正加紧进行OTA测试实验室的建设和OTA 测试推广工作,目前已经建立符合CTIA OTA规范的实验室,并通过CTIA的测试系统认证,已能提供CTIA认可的OTA测试数据.OTAOTA测试及手机其他的主要参数测试及手机其他的主要参数w OTA测试中的主要测试参数及相关计算 在OTA测试中,辐射性能参数主要分两类:接收参数和发射参数.发射参数有TRP、NHPRP;接收参数有TIS、NHPIS. TRP (Total Radiated Power):通过对整个辐射球面的发

8、射功率进行面积分并取平均得到.它反映手机整机的发射功率情况,跟手机在传导情况下的发射功率和天线辐射性能有关. NHPRP (Near Horizon Partial Radiated Power)：反映在手机的H面附近天线的发射功率情况的参数。 TIS (Total Isotropic Sensitivity)：反映在整个辐射球面手机接收灵敏度指标的情况。它反映了手机整机的接收灵敏度情况，跟手机的传导灵敏度和天线的辐射性能有关。 NHPIS (Near Horizon Partial Isotropic Sensitivity)：反映手机在H面附近天线的接收灵敏度情况的参数。 对于手持终端，O

9、TA 测试中还将考察终端在有模拟人头情况下的上述参数，比较在有无模拟人头情况下相关参数的变化情况。OTAOTA测试及手机其他的主要参数测试及手机其他的主要参数w 其他有关的天线参数 在考察天线性能的时候，还有其他需要了解的参数如：APIP、Gain、Directivity、EIRP、ERP。 Gain(dBi)：在相同的输入功率下，天线在空间某点的辐射功率与理想无方向性点源天线在同一点的功率的比值，该增益单位为dBi，手机天线厂家提供的天线测试报告中的增益一般以dBi 为单位。 Gain (dBd)：在相同的输入功率下，天线在空间某点的辐射功率与理想半波偶极子天线最大辐射方向上功率的比值，该增

10、益的单位为dBd。 Directivity：在相同的辐射功率下，某天线在空间某点产生的功率与理想无方向点源天线在同一点产生的功率的比值。 Efficiency：天线辐射功率和天线输入功率的比值。 APIP (Antenna Port Input Power)：加入到天线口的功率大小，是PA 输出到天线口的功率大小。该功率大小主要跟手机的传导发射功率大小有关。 EIRP (Effective Isotropic Radiated Power)：等效全向辐射功率是天线得到的功率与天线以dBi 表示的增益的乘积，反映天线在各个方向上辐射的功率的大小。OTAOTA测试及手机其他的主要参数测试及手机其他

11、的主要参数 PEIRP (Peak Effective Isotropic Radiated Power)：峰值等效全向辐射功率。 ERP (Effective Radiated Power)的概念与EIRP 相同，但ERP 是天线得到的功率与以dBd 表示的增益的乘积。w 各主要参数之间的关系 根据各参数的定义我们能得到各参数的关系: Efficiency=TRP/APIP Directivity=PEIRP/TRP Gain=Efficiency*Directivity=EIRP/APIP Gain(dBi)=Gain(dBd)+2.15 根据以上关系式可以结合测试数据推算相应结果,加深理

12、解: OTAOTA测试系统及测试方法测试系统及测试方法w OTA的测试系统 图1 所示为CTIA的OTA测试系统的构成,该系统主要由暗室、高精度定位系统及其控制器、射频测试仪器和带自动测试程序的个人电脑构成.主要射频仪器有综合测试仪器、频谱仪、网络分析仪.为进行人头模拟测试,还需要符合CTIA标准的人头模型. 暗室需要满足天线测试的远场测试条件,有一定大小的静区并满足总不确定度小于2dB的要求.MAPS (Multi-Axis Position System)为AUT (Antenna Under Test)的定位系统.定位系统如图2所示 各射频仪器、转台控制器与带自动测试软件的PC通过GPI

13、B接口进行通信.系统有规则的转动天线测试的坐标(,),并记录每个坐标的测试结果,最后转换成天线3D辐射图案.其中(如图3)坐标角是以Z轴为起点0180度, 角以X轴为起点0360度,3D辐射图案由E-plane和H-plane组成,也可以用Vertical plane / Horizontal plane或者Great circle cut /Conical cut表示(如图4).OTAOTA测试系统及测试方法测试系统及测试方法 OTA测试系统目前有两种定位系统,同时定义了两种扫描获取生成3D pattern 数据的方法,CTIA定义两种方法为: 1.The great circle cut

14、Great Circle Cut(大圆形切)扫描方法对应固定测试天线定位系统(如图5) 例如:BTL实验室 ETS LindgrenETS Lindgren Solution AMS-8500Solution AMS-8500天线测试系统 2.The conical cut(圆锥形切)扫描方法对应不固定或多个测试天线定位系统(如图6) 例如:摩尔实验室 SATIMOSATIMO SG24SG24天线測試系统OTAOTA测试系统及测试方法测试系统及测试方法w OTA的测试系统架构 图1OTAOTA测试系统及测试方法测试系统及测试方法w OTA的测试系统AUT定位系统 图2OTAOTA测试系统及测

15、试方法测试系统及测试方法w OTA的测试系统天线测试的坐标 图3 Elevation angle: 0180以z軸為起點 Azimuth angle: 0360以x軸為起點OTAOTA测试系统及测试方法测试系统及测试方法w OTA的测试系统Radiation Patterns图4Elevation plane / Azimuth planeGreat circle cut / Conical cutVertical plane / Horizontal planeOTAOTA测试系统及测试方法测试系统及测试方法w Great Circle Cut图5OTAOTA测试系统及测试方法测试系统及测试

16、方法w Conical Cut图6OTAOTA测试系统及测试方法测试系统及测试方法w OTA参数的测试方法nTRP的测试方法及计算 在进行TRP测试时,DUT (Device Under Test)处于最大的发射功率状态,选择高中低三个信道进行测试,对于可伸缩天线的测试设备需要进行两个条件下的测试.对于手机这样的便携式设备还需要在人头模拟条件下进行测试. 通过MAPS控制EUT的位置,以15度为步长,测量三维空间各点的有效辐射功率(EIRP),通过积分计算球面上的平均值,计算公式如下:=0 345 ，=15 165 ；M：24，N:12；288點OTAOTA测试系统及测试方法测试系统及测试方法

17、w OTA参数的测试方法nTIS的测试方法及计算 在进行TIS测试时,DUT处于最大的发射功率状态,选择高中低三个信道进行测试,对于可伸缩天线的测试设备需要进行两种条件下的测试.对于手机这样的便携式设备还需要在人头模拟条件下进行测试. 通过MAPS控制EUT的位置,以30度为步长,测量三维空间各点的接收灵敏度,通过积分计算球面上的平均值,计算公式如下:=0 330 ，=30 150 ；M：12，N:5；60點 SARSAR测试介绍测试介绍w SAR测试的含义和目的 SAR (Specific Absorption Rate)行动电话或WLAN之电磁波能量吸收比值,其定义为每增加单位质量所增加单

18、位能量再取时间导函数: 单位为:(W/kg) SAR是经由无线电波能量所产生的,就是用来量度究竟人体(也就是脑部或身体)吸收了多少电磁波辐射.w SAR的定义 SAR是用来决定再近场（near field）时,人体暴露在射频发射器之下感应出电磁波能量的最适合的量测尺度,有2个方程式: SAR和电场的关系式为: ,SAR单位:W/kg 其中E:电场强度均方根(V/m), :组织液导电率, :组织液的质量密度(kg/m3) T:温度,t:时间,c:组织液热容量 对于dT的量测很困难,因为电磁波产生的热效应很小,环境温度的变化比手机产生的温度还大 SARSAR测试标准介绍测试标准介绍w SAR手机测

19、试标准 美规(FCC)主要参考IEEE C95.1-1999,操作频率介于100KHZ6GHZ FCC SAR量测标准:以1g体积计算SAR平均值,limit为1.6W/kg 规范较严格,而且除了测试头部的SAR值,还必须测身体(Body) SAR的值 澳洲,加拿大,纽西兰,台湾采用FCC标准 欧规(CE)则是参考EN50361 July 2001,其操作频率介于300MHZ3GHZ 欧洲SAR量测标准:以10g体积计算SAR平均值,limit为2W/kg 日本,韩国,大陆采用欧洲标准 只测试头部SAR值 SAR Exposure LimitsSAR Exposure LimitsType E

20、xposureType ExposureUncontrolledUncontrolledEnvironment LimitEnvironment LimitSpatial Peak SAR(1g1g cube tissue for brain or body)1.60W/kgSpatial Peak SAR(10g10g for hands, feet, ankles and wrist)4.00W/kgSpatial Average SAR (whole body)0.08W/kgSARSAR测试标准介绍测试标准介绍w SAR Exposure Limits(暴露安全限度)n当SAR值为4W

21、/kg(whole-body averaged),在6分钟期间,提高身体温度1nSAR值4W/kg对以下情形有不利的效应人体生病发烧运动体温高n人体暴露安全限度考量:职业工作场所(controlled environment): 1/10=0.4W/kg一般场所(uncontrolled environment): 1/50=0.08W/kgw SAR标准的种类n美国标准FCC OET Bulletin 65 Supplement C (量测方法)ANSI/IEEE C95.1-1999 (规定最大允许Limit值)IEEE 1528(量测方法)n欧洲标准EN 50360 (规定最大允许Lim

22、it值)EN 50361 (量测方法)n国际标准ICNIRP (规定最大允许Limit值)IEC 62209 (量测方法)SARSAR测试系统及测试方法测试系统及测试方法w SAR测试系统 典型SAR测试系统架构(如图7)所示,查阅资料发现有两种测试系统: APREL ALSAS-10U SAR System(如图8) 每次量测需6.515分钟 DASY 5 SAR System(如图9) 每次量测需2030分钟w 手机SAR测试位置 cheek (touch)和tilt两位置是SAR最大值只发生的位置，且最好的重复性n欧洲销售(CE Report) GSM单频手机(900MHZ)测试次数:1

23、2 (如图10) 手机贴紧右边脸颊(cheek touch) 低、中、高频道测试 手机贴紧左边脸颊(cheek touch) 低、中、高频道测试 手机与右边脸颊倾斜15度(tilt) 低、中、高频道测试 手机与左边脸颊倾斜15度(tilt) 低、中、高频道测试双频手机(900/1800MHZ)测试次数: 12*2=24n美国销售(FCC Report) GSM单频手机(1900MHZ)测试次数:15 手机贴紧右边脸颊(cheek touch) 低、中、高频道测试 手机贴紧左边脸颊(cheek touch) 低、中、高频道测试 手机与右边脸颊倾斜15度(tilt) 低、中、高频道测试 手机与左边

24、脸颊倾斜15度(tilt) 低、中、高频道测试 手机贴紧身体 低、中、高频道测试 双频手机(850/1900MHZ)测试次数: 15*2=30SARSAR测试系统及测试方法测试系统及测试方法图7SARSAR测试系统及测试方法测试系统及测试方法图8SARSAR测试系统及测试方法测试系统及测试方法DASY 5 SAR System图9SARSAR测试系统及测试方法测试系统及测试方法图10SARSAR测试系统及测试方法测试系统及测试方法w SAR测试流程及方法 SAR测试之前,首先系统需要校准,了解相关参数变化,以备SAR最终数据计算n测量程序如下:l将DUT跟综合测试仪建立连接l设置综合测试仪使D

25、UT发射最大功率l测量DUT实际发射的功率l将DUT固定在支撑架上,按需要测试的位置摆放l在测试软件上设置扫描区域(scan area)、格点尺寸(grid size)l测试低、中、高信道SAR值 n评估最大平均SAR程序如下:l测量参考功率lArea scan(如图11) 快速扫描,找出Peak SAR的区域,获得Peak SAR值,扫描区域必须比手机和天线投影的面积大.lZoom scan(如图12) 用来对于1g或10g组织液(如图12),量测最高平均SAR. 法规要求以Area scan得到的地区性的Peak点为中心取1.5倍的1g或10g体积,做SAR量测 假设1g的cube量测的S

26、AR平均值为1.4mw/g,将1g乘以1000得到1.4W/kg,1.4mW/g的意义是在1g的cube内有200量测点,各点有可能大于或小于1.4mW,将200量测点取平均得到平均每点为1.4mWl测量参考功率SARSAR测试系统及测试方法测试系统及测试方法图11SARSAR测试系统及测试方法测试系统及测试方法图12SARSAR测试系统及测试方法测试系统及测试方法w SAR测试流程及方法nSAR平均方法:l内插法(Interpolation) 探测器在phantom组织液内,不接触surface,扫描得到的平均SAR值,它是一种计算方法.l外插法(Extrapolation) 外插法用来得到

27、在最低测试点和phantom内表面之间的SAR值,它是一种计算方法OTA OTA 测试中的测试中的TRP TRP 和和SAR SAR 指标的制约关系指标的制约关系 TRP 反映的是天线远场的辐射性能，而SAR 反映是天线的近场辐射性能。对于OTA 中的TRP 指标，一般是希望其TRP 比较大，这样从PA 出来进入天线的功率才被有效辐射，无线接口的连接性才比较好。在SAR 测试中，则希望TRP 数值比较小，这样被人脑吸收的功率才比较小，保证能通过SAR 测试标准。因此，TRP 指标与SAR 指标是一对相互矛盾的指标，在天线设计中如何保证两个指标都达到相关的标准，满足设计需要，在天线设计的之初就得

28、考虑。以下是一些解决措施：(1)选用合适的天线形式，最为重要。比如内置天线中的Monopole 具有效率高但SAR 也高的特点，因此在使用之前就应该对此有所认识，即Monopole 和人脑的耦合效应较强。PIFA 天线综合性能较好，由于其靠近人脑的一侧被PCB 的地遮挡，其高频频段在人脑方向比最大辐射方向有5-6dB的衰减，因此PIFA 天线的SAR 值比较低，是内置天线中比较理想的天线形式。OTA OTA 测试中的测试中的TRP TRP 和和SAR SAR 指标的制约关系指标的制约关系 (2)在天线的设计之初就考虑SAR 问题，主要在结构问题上进行设计，结合手机的结构选用合适形式的天线，保证天线性能的同时还满足通过SAR 指标，比如采取将天线放置于PCB 的底部等措施。对于外置式的螺旋天线一般应注意天线与人脑之间的距离，保证满足SAR 测试的需要。 (3)在设计后期发现SAR 测试超标，可通过调低天线性能的方式解决， 如使用损耗稍大的材料等方法，这需要与天线厂家配合进行。(4)更改天线走线方式，调整方向图等措施。(5)在标准允许的情况下，降低PA 的输出功率。以上方法是在满足SAR 和TRP 测试需要的情况下，取得两者的折中。35 结束语结束语