輻射效能良窳攸關使用經驗
WiMAX論壇測試規範日益周全

對於內建WiMAX無線技術的筆記型電腦、通用序列匯流排外接模組(USB Dongle)、PCMCIA Card、ExpressCard等終端設備而言，進行輻射效能測試的意義在於取得輻射發射功率與輻射接收靈敏度性能的場型等資料，並藉此驗證WiMAX產品實體層的輻射發射與輻射接收性能(圖1)。

圖1　待測物透過無線電波方式進行輻射發射與輻射接收示意圖

此測試的結果，可以視為產品在WiMAX無線網路運用上的一種品質指標，主要的測試項目如表1所示。

輻射效能量測系統基本架構如圖2所示，圖中呈現量測系統主要的元件，包括全電波無反射室(Fully Anechoic Chamber, FAC)、雙極化量測天線(Dual Polarized Measurement Antenna)、通訊天線(Communication Antenna)、旋轉台(Turntable)、測試儀器等設備。

圖2　RPT測試系統架構與全電波無反射室示意圖

其中全電波無反射室外部加上一層金屬層來遮蔽外來的電磁波，不受外界之雜訊干擾，內部則是六面貼滿吸波體(Absorber)來吸收發射之電磁波，避免反射訊號影響測試之正確性，提供自由空間特性的測試環境。  

球面定位系統決定量測時間長短

由於待測物(DUT)的天線傳播性能是呈現三度空間特性，訊號發射與接收是圍繞著DUT機構，隨著傳送接收角度的不同，遭遇到的機構遮蔽效應也會有所差異，所以量測DUT的三維空間場型必須具備一組球面定位系統與一組固定DUT的夾具，其固定夾具材料是要具有輻射電波穿透力的材質，以避免於測試過程中因為反射訊號而干擾測試結果。  

目前有兩種型態的球面定位系統，分別如圖3(a)與3(b)所示。圖3(a)為聯合式軸系統(Combined Axis System)，此套系統是較多實驗室採用的球面定位系統。量測天線固定，兩個旋轉軸Theta(θ)與Phi(ψ)分別控制DUT角度，進行三維空間量測，其中Theta(θ)旋轉範圍為0～180度，Phi(ψ)旋轉範圍為0～360度。圖3(b)為分布式軸系統(Distributed Axis System)，DUT繞著Phi(ψ)軸旋轉，量測天線繞著Theta(θ)軸進行量測，其中Theta(θ)旋轉範圍為0～180度，Phi(ψ)旋轉範圍為0～360度。

圖3　球面定位系統

聯合式球面定位系統測試過程中Phi(ψ)軸是承繼Theta(θ)軸測量，分布式球面定位系統是Theta(θ)軸是承繼Phi(ψ)軸測量，儘管數據是由不同順序得到的，但兩種方法最後得到的量測數據都是由相同的(θ,ψ)角度位置所構成，所呈現出的整體球形座標系統是相同的。  

聯合式與分布式球面定位系統的角度間距(Step Size)依照WiMAX論壇規定的公式計算出來，其算式如下：

其中λ為該測試頻率的電磁波波長，DL為DUT最大的線性尺寸(Maximal Linear Dimension)，也就是DUT的長、寬、高之間取最大值作為DL。  

為縮減測試的時間，WiMAX論壇使用時間優化法來減少測試時數，使用公式如下，其方式是使Phi(ψ)軸的角度間距隨著Theta(θ)軸角度所在位置而所改變，大約可以減少25～30%的時間。

量測條件規範已有　明文標準

由於量測環境中的各項參數均會影響最終所獲得的量測數據，因此WiMAX論壇對於許多環境參數亦做出明確規範。在溫溼度條件方面，WiMAX論壇規定的全電波無反射室的溫度必須在攝氏15～30℃內，濕度必須在25～75%範圍內以達到正常測試環境。

在量測距離(Range Length)方面，則可分為遠場距離(Far Filed Distance)與最小距離(Minimum Range Length)兩種。遠場距離指的是DUT與雙極化量測天線之間的測試距離，在理想狀態下，應有足夠測試距離進行TRP與TIS的量測，其計算公式如下，其中D為DUT最大的尺寸(Maximal Dimension)，λ為電磁波波長。

然而，根據上式計算出的量測距離較不切實際，因為隨著測試頻率越高，所要求的量測距離越長，所以WiMAX論壇規定最小的測試距離至少是三倍的電磁波波長，即3λ；或者至少要是DUT或量測天線最大尺寸的兩倍。  

除了環境參數外，WiMAX論壇亦對待測物的測試條件與配置方式做出明文規定。在DUT測試的條件要求部分，WiMAX論壇要求在量測DUT時，應盡量保持DUT在沒有任何電源線或其他線材的干擾，除非DUT在正常使用狀態下必須使用電源線或其他線材；DUT若具備接收分集(Receiver Diversity)時，則必須可以設定每一單獨天線，以分別測試TIS、ICS效能。  

當工程師在量測TRP、TIS、ICS時，DUT必須全程保持最大功率輸出，螢幕亮度必須保持最亮狀態，任何使DUT節省功率或省電的模式都必須關掉，且具有藍牙(Bluetooth)、無線區域網路連線(WLAN)功能者也必須關掉，避免造成干擾，以確保測試數據的正確性。  

最後，由於DUT在一般使用情況下，天線接收與發射的性能通常會受到周遭環境或近場物體的影響(Near Field Phantoms Effects)，不太可能處在實驗室的自由空間環境中，因此近場物體所造成吸收、遮蔽、反射等對無線電收發性能的影響，也是必須模擬量測的項目。  

如筆記型電腦、手持式裝置，行動電話等終端設備，在一般的使用情境下，會受到使用者本身的頭、手、身體軀幹吸收或遮蔽效應影響，可能會造成天線的阻抗匹配失調，進而造成天線發射、接收效率的衰減、改變天線場型，甚至造成DUT功率放大器發生了超載輸出的非線性現象，這些現象會隨著無線電頻率、DUT機構與天線設計的不同而不同。  

為了呈現DUT在一般使用情況下的天線效能，WiMAX論壇依據IEEE Std 1528所定義的在不同無線電波下所對應的組織液(Tissue)，搭配人工模擬之頭像和人工模擬手(Phantom Head and Hand)，來模擬DUT在一般使用情況下的天線發射與接收效能。此項測試以正常使用角度來看，搭配人工模擬頭像、人工模擬手與適當組織液進行輻射效能測試，其結果會比在完全自由空間所作之量測更具有實質上的意義。  

終端設備類型影響測試配置方式　惟規範細節尚待討論  

WiMAX終端設備可依照產品使用狀態來區分為行動電話裝置、個人數位助理/手持式裝置、口袋型式裝置、手持式電玩裝置、筆記型電腦、插拔式裝置與固定式裝置等類，每種不同類型的裝置各自有其正常的使用情境，因此WiMAX論壇也特別對測試的配置方式做出分類規範，以確保不同型態的終端裝置都能經過合理的量測。  

首先，自由空間測試配置方式(Free Space)是所有配置方式中最基本的要求，所有上述的DUT產品類型，都被要求使用自由空間配置方式執行測試，以判斷產品最基本的性能。此外，視終端產品的型態不同，有些產品還應在人工模擬頭像與人工模擬手測試配置方式下進行量測，例如行動電話便是一例(圖4)。

圖4　待測物搭配人工模擬頭像與人工模擬手配置圖

個人數位助理(PDA)或其他手持式設備，則被要求應進行搭配人工模擬手的測試，配置測試依使用狀態有分兩種類型，第一種測試方式為單手握住設備進行網頁或影像瀏覽。第二種為單手握住設備，另一隻手使用觸控筆點擊設備螢幕。若PDA或手持式設備具有通話功能的話，則必須增加人工模擬頭像與人工模擬手測試。  

若終端產品為手持式電玩裝置，則產品應在雙手控制遊戲配置方式下進行測試。但WiMAX論壇目前尚在討論DUT搭配人工模擬手的擺設，所以現階段設備也只須測試自由空間配置測試方式；若終端產品為筆記型電腦或使用設備方式為水平式放置使用狀態，則必須使用標準桌子來進行輻射效能測試判斷產品的性能。 不過上述各種配置方式中，由於牽涉到人工模擬手、頭等測試道具該如何擺設的問題，WiMAX論壇還必須進一步定義出各種相關細節，所以目前各種終端裝置都只須通過自由空間配置測試。  

TRP/TIS為WiMAX無線電波測試重點  

除了前述環境與配置參數外，WiMAX無線電波本身的量測自然是真正的主角。WiMAX無線電波測試頻段依據WiMAX RPT規格書總共分為十三組，每一組可分為TRP/TIS測試頻率點和測試中間通道頻率點(Intermediate Channel Test)。 TRP/TIS測試是取WiMAX RF Profile頻段的低、中、高通道頻率點進行測試。  

中間通道頻率點用來量測中間通道靈敏度測試，驗證整個WiMAX頻帶是否具有與低、中、高通道頻率點相同的靈敏度性能，也進一步驗證DUT在所屬的WiMAX頻段範圍內是否具有無效的頻率點。  

在介紹TRP/TIS測試流程之前，必須先說明組成TRP與TIS的基本量測項目為有效等向輻射功率(Effective Isotropic Radiated Power, EIRP)與有效等向靈敏度(Effective Isotropic Sensitivity, EIS)。EIRP為構成TRP的基本單位，EIRP是指在某個角度與極化方向所量測到DUT的輻射功率。相同的，EIS為構成TIS的基本單位，EIS是指在某個角度與極化方向所量測到DUT的靈敏度。  

TRP測試流程  

當工程師在進行TRP測試時，應遵循以下測試流程。首先，將DUT依照設備測試配置方式進行架設。然後，在量測儀器中設定測試頻率與頻寬，並設定指令使DUT上傳的訊框(Frame)占滿全部頻寬，讓DUT全程量測過程中能輸出最大的功率。接著再設定下鏈(DL)和上鏈(UL)調變為QPSK、編碼速率為二分之一，時槽(Slot)排列方式為部分使用次通道配置(Partial Usage of Subchannel, PUSC)。完成上述設定後，再產生WiMAX訊號與DUT進行無線通訊連線。  

當WiMAX訊號產生後，球面定位系統開始進行運轉，其Theta(θ)軸沿著Phi(ψ)軸依照設定角度間距進行量測，取得每個角度水平極化與垂直極化的EIRP值並補償路徑損失(Range Loss)，構成水平與垂直極化的三維空間場型圖。透過以下公式把每個角度水平與垂直極化進行合併運算，算出每個角度的EIRP_Total，如圖5所示。

圖5　每個角度的EIRPtotal構成的三維場型圖

接著再視量測工作採用時間優化法或一般測試方式，分別透過公式計算出TRP值。量測使用時間優化者，使用下列公式進行計算出TRP：

使用一般測試方式，則使用下列公式進行計算出TRP：

TIS測試流程

當測試人員欲進行TIS測試時，則可依以下流程進行。首先，將DUT依照設備測試配置方式進行架設，然後在量測儀器上設定測試頻率與頻寬，並將下鏈和上鏈調變設定為QPSK、編碼速率為二分之一、時槽排列方式為部分使用次通道配置，並注意應設定讓DUT在量測過程中全程保持最大功率輸出。上述儀器設定與TRP量測大致相同，但在量測TIS時，儀器上還須額外設定封包錯誤率(Packet Error Rate, PER)參數，其門檻值為10%，傳送封包量為一千個。將上述儀器與指令參數設定完成後，再產生WiMAX訊號與DUT進行無線通訊連線。  

球面定位系統進行運轉，其Theta(θ)軸沿著Phi(ψ)軸測量依照設定的角度間距進行量測每個角度的水平極化與垂直極化的EIS，並補償路徑損失，構成水平與垂直極化的三維空間場型圖，透過以下公式算出每個角度的EISTotal，如圖6所示。

圖6　每個角度的EIStotal構成的三維場型圖

取得EIS值後，量測人員可視量測方式，透過對應的公式計算出TIS值。量測使用時間優化方式，使用下列公式進行計算出TIS：

使用一般測試方式，則使用下列公式進行計算出TIS：

ICS測試流程

在WiMAX無線電波測試頻段中，無論測試哪個WiMAX RF Profile，除了低、中、高頻通道頻率點作TRP和TIS的測試，其他的中間通道頻率點必須要做靈敏度測試，計算出正規化(Normalized)TIS值，以保證在整個WiMAX頻段中是沒有任何一個無效的頻率點，其測試流程：第一步，在中頻通道頻率點找出所量測性能最好的EIS，並找出相對應的角度與極化，接著由第一步所找出的角度與極化，重新量測中頻率點的EIS，得到P_R。

完成上述兩個步驟後，設定量測頻率為中間頻率點，並針對第一步所找出角度與極化進行量測得到P，接著再求出。取得這個數值後，將之代入下方計算中間頻率點的Normalized TIS值公式，即可獲得所想要的數值結果。

若以3A-10(M2500T-01)為WiMAX RF Profile測試頻段，透過以上敘述的步驟進行ICS量測，可繪出中間通道頻率對應靈敏度對照圖，如圖7所示。

圖7　中間通道靈敏度示意圖

輻射效能測試把關WiMAX產品性能

TRP量測主要是測試發射特性，不僅考慮了天線的匹配因素，而且是更全面地量測產品三維空間的發射機性能。TIS則是測試接收特性考慮了天線的匹配因素，也考慮了全面地衡量三維空間的接收機的接收性能，ICS量測確保整個WiMAX RF Profile的頻段均可以使用。  

輻射效能測試為WiMAX終端設備產品提供了發射與接收性能指標，一方面即時提供給廠商有關產品的性能，加速產品上市時間，另一方面替使用者把關，讓消費者能使用到可靠的WiMAX通訊產品。  

(本文作者任職於立德國際商品試驗有限公司)