另辟蹊径:手机天线组件还能这么测

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随着2G、3G、4G LTE通信技术的发展,手机天线也从2G到4G LTE发生了巨大的变化。2G手机天线大多是金属冲压片,FPC等材质生产的,频段仅仅是GSM/CDMA双拼。到了3G时代,天线的材质基本上是FPC和LDS,频段也在GMS/CDMA的基础上增加了WCDMA/TD-SCDMA/CDMA-EVDO,基本上五频天线是3G时代手机的标配。到了4G LTE时代,手机外壳基本上趋于金属化,手机天线附着在金属外壳的缝隙或开窗部位,LDS激光直接成型、NMT纳米注塑基本上成为了手机天线的主流。从图 1手机天线的发展演变史,可以清楚地看到手机天线的发展变化。 
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图:1手机天线的发展演变
    
手机天线的变化,不仅使天线的频段增加,天线的数量也在不断增加,如4G LTE一般为主天线(Main Antenna)和分集天线(Diversity Antenna),或主天线、MIMO(多入多出)天线。分集天线主要只负责下行数据的接收频段,而MIMO天线才是真正意义上的另一个收发天线,频段和主天线一样。
  
正因为有了这些天线,手机天线的模组测试也发生了一些变化。原来的天线测试模组一般只测试驻波或回损(S11),因此选用低成本的反射计来测试天线的S11,如图 2的 2G、3G天线测试系统架构。
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图2:2G、3G天线测试系统架构
 
但是原来测试一个天线的设备,现在需要测试两个天线或者多个天线,二反射计却只有一个端口,无法实现多个天线的测试。怎么办,再增加一台反射计或者使用高成本的矢量网络分析仪?No!笔者利用UMS公司的单刀双掷射频开关CHS5104-99F很好地解决多天线测试问题,而且还可以很好地集成到测试夹具的IO控制模块中。为什么?我们先看看CHS5104-99F规格书中的性能:
1)频率覆盖宽:DC-4GHz,覆盖目前手机的主天线2G/3G/4G所有频段
2)通道的插入损耗低,在4GHz频点的插入损耗只有0.5dB
3)隔离度高,38dB@2GHz,30dB@4GHz,可解决通道之间的干扰
4)P1dB的输入功率达30dBm
5)尺寸小可以很好的集成到控制模块中
 
以上这些参数基本上可以满足测试的要求,因此增加单刀双掷射频开关CHS5104-99F就解决了双天线测试的问题,于是有了下面图3的LTE天线模组测试系统框图。
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图3:LTE天线模组测试系统框图
 
通道问题解决了,但是随之而来的是测试校准问题。就是反射计需要校准两个通道,测试时需要调用不同的校准文件,这样测试效率牺牲一点,但是准确性提高了。然而有没有更好的办法呢?答案是肯定的。
 
从UMS CHS5104-99F的规格书中如图4 CHS5104-99F S参数,我们可以看到两个通道的驻波S11和S22是基本重合的,也就是说两个通道的一致性非常好。因此利用此参数特性,我们就可以把测试系统的两个通道做成一致性很好的相同通道,从而不用每次都调用校准文件提高测试效率。
 
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图4:CHS5104-99F S参数
 
有了以上的结论,最后我们经过以下几点优化:
1)重新设计CHS5104-99F单刀双掷射频开关两个通道的微带线,使其尽可能的等长以及保持相同结构。
2)两个通道CH1和CH2使用相同型号并且等长的射频同轴电缆。
3)两个通道需要用相同的校准件校准,并且补偿微带线部分的延时。
 
经过实际的调试和优化,我们用标准天线分别测试两个通道的S11,得到如图5的标准天线通道对比测试数据。
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图5:标准天线通道对比测试数据
 
从数据上可以看到,两个通道用同一个标准天线,测试的数据几乎重合,充分验证了CHS5104-99F两个通道之间的一致性。另外有一点需要注意的是,由于CHS5104-99F是反射型射频开关,如果只用一个通道时,在测试测量领域需要在悬空的通道上外接50欧负载。