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：
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●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）：
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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 。
gcr15热处理工艺
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
srvccMIMO 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 （Receiv
ed 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
恒温室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）
