精確測量手機發射功率和接收靈敏度

2021-02-13 羅德與施瓦茨開放實驗室

【摘要】發射功率和接收靈敏度是手機射頻測試的重要指標，測試系統的路徑損耗校準很關鍵，工程應用中普遍使用金機校準法和矢量網絡分析儀測量法，本文介紹一種使用功率探頭的方案，利用其不確定度低的特性，大大提高測試精度。

【關鍵字】系統誤差 路徑損耗 金機 矢量網絡分析儀 功率探頭 不確定度

 1. 引言

手機消費市場競爭日趨激烈，在產品嚴重同質化的今天，除了從設計上尋求突破，產品品質也是各大廠商的另一個關注重點，具體到射頻硬體部分，研發和生產階段的精確射頻測試是保障品質的重要手段。

發射功率是手機發射機測試的重要指標之一，存在兩面性，一方面手機需要發射足夠高的功率以保證通信質量，另一方面在保證通信質量的前提下，發射功率越低越好，換言之，手機的發射功率需要根據實際情況被精確控制。接收靈敏度是接收機測試最重要指標之一，也是衡量接收機接收能力的重要體現，必須精確測試。

典型的手機射頻測試系統如圖1所示，由綜測儀、測試夾具、待測手機（DUT）組成。測試夾具把綜測儀和DUT連接起來，具有一定的插損，這個插損基本恆定不變。綜測儀的發射功率和接收機測量都具有不確定度，儀器廠家給出的技術指標一般在0.5dB~1dB之間，重複性小於0.1dB，它們是一個統計特性，基於多臺儀器、各種不同的工作條件下和測試場景下得出的。那麼對特定某一臺儀器，測試手機性能的不確定度是基本恆定的。夾具的插損和測試儀器的不確定度稱為路徑的系統損耗，可以通過校準來消除。

圖1 手機射頻測試系統示意圖

2. 路徑損耗校準方案

如圖2所示綜測儀內部結構示意圖，綜測儀內部有信號源和信號分析儀兩個模塊，通過開關與綜測儀的射頻埠相連，外部連接測試夾具。發射和接收測試這兩種場景下信號傳輸路徑不同，為了獲得精確測量結果，需要分別校準信號源和信號分析儀連同外接設備（測試夾具）的路徑損耗。工程應用中，普遍使用金機校準法或矢量網絡分析儀測量法校準系統路徑損耗。

圖2 綜測儀內部結構示意圖

2.1 金機校準法

預先挑選發射功率和接收電平穩定的手機主板（或手機整機）標記為金機，其技術規格是基於其它測試儀器評估出來的，是已知的。校準系統路徑損耗時，用待校準的射頻測試系統測量金機發射功率和接收電平，計算當前測量結果與技術規格之間的差值，即得出系統路徑損耗。這種方法操作簡單、測量速度快，但在實際使用過程中常常遇到測不準的問題。產線中為兼顧不同測試工位，只能把測試門限適當放寬，這實際上相當於降低了測試標準。究其原因：

①金機原始數據是用綜測儀測得，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，參考值就已經不精確。

②金機由於重複使用，天線測試座的磨損會帶來與測試夾具接觸不良的問題，增大隨機誤差，進而影響測量結果。③某些產線測試環境較差，溫度、溼度波動明顯，導致金機發射功率和接收靈敏度隨之變化，穩定性受影響，增大隨機誤差。

2.2 矢量網絡分析儀測量法 

使用矢量網絡分析儀測量夾具射頻線纜的S21參數，當作系統路徑損耗值進行補償，矢量網絡分析儀的不確定度很低，一般小於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天線測試座到綜測儀射頻埠之間的損耗，綜測儀的不確定性沒有消除。

3. 功率探頭測量方案


3.1 信號源校準

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

圖3 信號源校準原理圖

R&S®NRP-Z91是一款通用型功率探頭，一端輸入射頻信號，另一端通過USB線傳送測量數據給功率計主機，測得值即是功率探頭輸入信號電平值，R&S®NRP-Z91的不確定度典型值約為0.06dB【3】，由此計算出的LOSSdl不確定度等同功率探頭。

在測試手機接收性能時，綜測儀輸出信號電平較低，一般為-90dBm以下，功率探頭受量程所限不足以測量這個信號，但綜測儀信號源的電平線性度很好（典型值小於0.1dB）【1】，因此可選取功率探頭量程內的信號電平替代實際測試時的電平進行測量。如圖4和圖5所示，綜測儀發出-30dBm的信號，用功率探頭測得進入手機天線測試座的信號電平為-33.45dBm，所以在1900MHz這個頻點上，信號源部分的系統路徑損耗為3.45dB。

圖 4 綜測儀信號源設置輸出電平Pbefore

圖 5 天線測試座連接處的信號電平Pafter

3.2  信號分析儀校準

在測試手機發射機性能時，綜測儀接收並解調手機發射的信號。使用R&S®NRP-Z28型功率探頭測量測試夾具與手機天線測試座連接處的信號電平Pbefore，與綜測儀的信號分析儀測量到的輸入信號電平Pafter比較，差值即為在該頻率處路徑損耗校準值LOSSul。

圖6信號分析儀校準原理圖

R&S®NRP-Z28型功率探頭內部集成了一個功分器，因此有信號輸入和信號輸出兩個射頻埠以及另外一根USB線連接至功率計主機。用校準信號源發出信號接入R&S®NRP-Z28信號輸入端，由於功分器兩輸出端信號平衡性非常好，功率計主機測得值即為到達夾具埠的功率值，R&S®NRP-Z28的不確定度典型值約為0.06dB【3】，由此計算出的LOSSul不確定度等同功率探頭。

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

圖7 天線測試座連接處的信號電平Pbefore

圖8 綜測儀信號分析儀測得功率Pafter

4.  小結

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，在工程應用中使用其校準手機射頻測試系統路徑損耗，可對系統誤差進行精確補償，相較現有方案大大減小了測試誤差，為產品品質提供保障。

5. 參考文獻

[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

註：該文章刊登於《電信網技術》2017年3月

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