精確測量手機(jī)發(fā)射功率和接收靈敏度

1、引言

手機(jī)消費(fèi)市場競爭日趨激烈，在產(chǎn)品嚴(yán)重同質(zhì)化的今天，除了從設(shè)計(jì)上尋求突破，產(chǎn)品品質(zhì)也是各大廠商的另一個(gè)關(guān)注重點(diǎn)，具體到射頻硬件部分，研發(fā)和生產(chǎn)階段的精確射頻測試是保障品質(zhì)的重要手段。

是手機(jī)發(fā)射機(jī)測試的重要指標(biāo)之一，存在兩面性，一方面手機(jī)需要發(fā)射足夠高的功率以保證通信質(zhì)量，另一方面在保證通信質(zhì)量的前提下，發(fā)射功率越低越好，換言之，手機(jī)的發(fā)射功率需要根據(jù)實(shí)際情況被精確控制。是接收機(jī)測試最重要指標(biāo)之一，也是衡量接收機(jī)接收能力的重要體現(xiàn)，必須精確測試。

典型的手機(jī)射頻測試系統(tǒng)如圖1所示，由綜測儀、測試夾具、待測手機(jī)(DUT)組成。測試夾具把綜測儀和DUT連接起來，具有一定的插損，這個(gè)插損基本恒定不變。綜測儀的發(fā)射功率和接收機(jī)測量都具有不確定度，儀器廠家給出的技術(shù)指標(biāo)一般在0.5dB~1dB之間，重復(fù)性小于0.1dB，它們是一個(gè)統(tǒng)計(jì)特性，基于多臺(tái)儀器、各種不同的工作條件下和測試場景下得出的。那么對特定某一臺(tái)儀器，測試手機(jī)性能的不確定度是基本恒定的。夾具的插損和測試儀器的不確定度稱為路徑的系統(tǒng)損耗，可以通過校準(zhǔn)來消除。

圖1、手機(jī)射頻測試系統(tǒng)示意圖

2、路徑損耗校準(zhǔn)方案

如圖2所示綜測儀內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖，綜測儀內(nèi)部有信號(hào)源和信號(hào)分析儀兩個(gè)模塊，通過開關(guān)與綜測儀的射頻端口相連，外部連接測試夾具。發(fā)射和接收測試這兩種場景下信號(hào)傳輸路徑不同，為了獲得精確測量結(jié)果，需要分別校準(zhǔn)信號(hào)源和信號(hào)分析儀連同外接設(shè)備(測試夾具)的路徑損耗。工程應(yīng)用中，普遍使用金機(jī)校準(zhǔn)法或矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量法校準(zhǔn)系統(tǒng)路徑損耗。

圖2、綜測儀內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 金機(jī)校準(zhǔn)法

預(yù)先挑選發(fā)射功率和接收電平穩(wěn)定的手機(jī)主板(或手機(jī)整機(jī))標(biāo)記為金機(jī)，其技術(shù)規(guī)格是基于其它測試儀器評(píng)估出來的，是已知的。校準(zhǔn)系統(tǒng)路徑損耗時(shí)，用待校準(zhǔn)的射頻測試系統(tǒng)測量金機(jī)發(fā)射功率和接收電平，計(jì)算當(dāng)前測量結(jié)果與技術(shù)規(guī)格之間的差值，即得出系統(tǒng)路徑損耗。這種方法操作簡單、測量速度快，但在實(shí)際使用過程中常常遇到測不準(zhǔn)的問題。產(chǎn)線中為兼顧不同測試工位，只能把測試門限適當(dāng)放寬，這實(shí)際上相當(dāng)于降低了測試標(biāo)準(zhǔn)。究其原因：

①金機(jī)原始數(shù)據(jù)是用綜測儀測得，綜測儀的典型不確定度約為0.5~1dB[1]，這就造成不同金板之間的差異，參考值就已經(jīng)不精確。

②金機(jī)由于重復(fù)使用，天線測試座的磨損會(huì)帶來與測試夾具接觸不良的問題，增大隨機(jī)誤差，進(jìn)而影響測量結(jié)果。

③某些產(chǎn)線測試環(huán)境較差，溫度、濕度波動(dòng)明顯，導(dǎo)致金機(jī)發(fā)射功率和接收靈敏度隨之變化，穩(wěn)定性受影響，增大隨機(jī)誤差。

2.2 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量法

使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量夾具射頻線纜的S21參數(shù)，當(dāng)作系統(tǒng)路徑損耗值進(jìn)行補(bǔ)償，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的不確定度很低，一般小于0.05dB[2]，可保證夾具測量的精確性，但這種方案只能測量手機(jī)天線測試座到綜測儀射頻端口之間的損耗，綜測儀的不確定性沒有消除。

3、功率探頭測量方案

3.1 信號(hào)源校準(zhǔn)

在測試手機(jī)接收機(jī)性能時(shí)，綜測儀輸出信號(hào)供手機(jī)接收。使用R&S?NRP-Z91型功率探頭測量測試夾具與手機(jī)天線測試座連接處的信號(hào)電平Pafter，與綜測儀信號(hào)源設(shè)置輸出電平Pbefore比較，差值即為在該頻率處路徑損耗值LOSSdl。

圖3、信號(hào)源校準(zhǔn)原理圖

R&S NRP-Z91是一款通用型功率探頭，一端輸入射頻信號(hào)，另一端通過USB線傳送測量數(shù)據(jù)給功率計(jì)主機(jī)，測得值即是功率探頭輸入信號(hào)電平值，R&S?NRP-Z91的不確定度典型值約為0.06dB[3]，由此計(jì)算出的LOSSdl不確定度等同功率探頭。

在測試手機(jī)接收性能時(shí)，綜測儀輸出信號(hào)電平較低，一般為-90dBm以下，功率探頭受量程所限不足以測量這個(gè)信號(hào)，但綜測儀信號(hào)源的電平線性度很好(典型值小于0.1dB)[1]，因此可選取功率探頭量程內(nèi)的信號(hào)電平替代實(shí)際測試時(shí)的電平進(jìn)行測量。如圖4和圖5所示，綜測儀發(fā)出-30dBm的信號(hào)，用功率探頭測得進(jìn)入手機(jī)天線測試座的信號(hào)電平為-33.45dBm，所以在1900MHz這個(gè)頻點(diǎn)上，信號(hào)源部分的系統(tǒng)路徑損耗為3.45dB。

圖4、綜測儀信號(hào)源設(shè)置輸出電平Pbefore

圖5、天線測試座連接處的信號(hào)電平Pafter

3.2 信號(hào)分析儀校準(zhǔn)

在測試手機(jī)發(fā)射機(jī)性能時(shí)，綜測儀接收并解調(diào)手機(jī)發(fā)射的信號(hào)。使用R&S?NRP-Z28型功率探頭測量測試夾具與手機(jī)天線測試座連接處的信號(hào)電平Pbefore，與綜測儀的信號(hào)分析儀測量到的輸入信號(hào)電平Pafter比較，差值即為在該頻率處路徑損耗校準(zhǔn)值LOSSul。

圖6、信號(hào)分析儀校準(zhǔn)原理圖

R&S NRP-Z28型功率探頭內(nèi)部集成了一個(gè)功分器，因此有信號(hào)輸入和信號(hào)輸出兩個(gè)射頻端口以及另外一根USB線連接至功率計(jì)主機(jī)。用校準(zhǔn)信號(hào)源發(fā)出信號(hào)接入R&S?NRP-Z28信號(hào)輸入端，由于功分器兩輸出端信號(hào)平衡性非常好，功率計(jì)主機(jī)測得值即為到達(dá)夾具端口的功率值，R&S?NRP-Z28的不確定度典型值約為0.06dB[3]，由此計(jì)算出的LOSSul不確定度等同功率探頭。

在測試手機(jī)發(fā)射性能時(shí)，手機(jī)發(fā)射功率較高(一般為20dBm以上)，同前文中手機(jī)接收性能測試，功率探頭受量程所限不足以測量這個(gè)信號(hào)，可選取功率探頭量程內(nèi)的信號(hào)電平替代實(shí)際測試時(shí)的電平進(jìn)行測量。如圖7和圖8所示，用功率探頭測得從手機(jī)天線測試座發(fā)射的信號(hào)電平為-7.55dBm，綜測儀測得這個(gè)信號(hào)電平為-10.739dBm，所以在1900MHz這個(gè)頻點(diǎn)上，分析儀的系統(tǒng)路徑損耗為3.19dB。

圖7、天線測試座連接處的信號(hào)電平Pbefore

圖8、綜測儀信號(hào)分析儀測得功率Pafter

4、小結(jié)

功率探頭使用方便快捷，與其它射頻測量儀器相比具有極低的不確定度，在工程應(yīng)用中使用其校準(zhǔn)手機(jī)射頻測試系統(tǒng)路徑損耗，可對系統(tǒng)誤差進(jìn)行精確補(bǔ)償，相較現(xiàn)有方案大大減小了測試誤差，為產(chǎn)品品質(zhì)提供保障。

5、參考文獻(xiàn)

[1] R&S?CMW500 Wideband Radio Communication TesterSpecifications. Version 11.00

[2] R&S?ZND Vector Network Analyzer Specifications. Version01.01

[3] R&S?NRP Power Meter Family Specifications. Version 08.00