智能家电产品无线机能测试系统的研究及应用

海信家电集团株式会社青岛分公司

择要

Abstract

Wi-Fi & BT的无线性能测试是智能家电产品在开拓过程中的一个主要环节，无线性能的测试结果可为智能家电产品前期设计优化供应更有代价的依据和参考方向。
为知足大型智能家电产品的无线性能测试需求，引入一种大1/4环构造多探头的OTA暗室测试系统。
暗室内在垂直面0～105范围内分布22个探头，最小可实现5的密集采样间隔，待测智能家电产品在一维转台上通过360范围的旋转，实现多数空间的数据采样，OTA暗室测试系统的上位机利用算法对采集的数据进行处理，得到所测智能家电产品的无线性能参数。

文中对该系统在TIRP测试、TIRS测试进行了理论推导与打算，并基于“金机”与深圳摩尔环宇通信技能公司的全环多探头OTA暗室系统进行测试比拟论证，两个别系在TIRP测试项的最大偏差为0.51 dB，在TIRS测试项的最大偏差为0.36 dB，测试偏差在许可范围之内。
可证明该OTA暗室测试系统能有效、准确、快速地对大型智能家电产品进行无线性能测试。

关键词

Keywords

OTA；Wi-Fi & BT；无线性能；智能家电；TIRP测试；TIRS测试

DOI:10.19784/j.cnki.issn1672-0172.2023.06.003

0 弁言

无线联网功能和蓝牙配网功能已经成为智能家电产品的标配。
在一个家庭中，不同品类的智能家电产品可以基于Wi-Fi & BT模组实现无线数据通信，构建智能生态场景；其余用户可通过手机App实现对智能家电产品的远程掌握[1]。
与传统的家电产品比较，Wi-Fi & BT 技能的运用利用户体验得到了极大的提升，未来会成为家电产品中不可或缺的一项功能。

智能家电产品的内部构造、显示面板的材料、主掌握器上印制板（PCB，printed circuit board）的走线、布局等都会对Wi-Fi & BT的无线性能产生一定的影响，因此研发过程中对智能家电产品的无线性能参数如总全向辐射功率（TIRP，toal isotropic radiated power）、总全向辐射灵敏度（TIRS，toal isotropic radiated sensitivity）、Wi-Fi吞吐量[2]等指标进行全面的测试。
无线性能参数的测试可以为智能家电产品前期设计优化供应更有代价的依据和参考方向，担保智能家电产品的质量、无线性能等参数指标知足美国无线通信和互联网协会（CTIA，cellular telecommunications industry association）标准[3]。

目前业界内主流的智能家电产品的空口（OTA，over the air）测试方案多为标准型二维（2D，two dimension）全电波暗室测试系统和标准型三维（3D，three dimension）全电波暗室测试系统。
前者采取双极化单探头[3]进行测试，被测物在方位转台上旋转一圈，即可完成被测物在某个水平面上的干系无线性能参数的测试，但该方案不能反响被测智能家电产品整体三维的辐射情形，在智能家电产品的无线性能测试上有很大的局限性。

后者采取均匀且对称分布的多探头[4]设计，被测物只需在方位转台上旋转半圈即可完成被测物三维球面扫描，该方案能够全方位展示被测物在全体球面的辐射情形，测试效率更高，但须要较大的园地面积和较高的培植本钱[5]。
因此采取大1/4环构造的单输入单输出[6]（SISO，single-input single-output）多探头半球近场测试系统，在知足智能家电产品全方位的无线性能测试条件下，可节约培植本钱和园地面积，具有极高的性价比。

1 模型方法

1.1 系统构成

大1/4环多探头半球近场测试系统紧张由OTA屏蔽暗室、吸波材料、转台、探头环、射频链路、测试软件、射频测试仪器和其他支撑模块等子系统组成。
屏蔽暗室和吸波材料子系统为测试供应无滋扰无反射的可控环境，担保无线测试不受其他无关成分的影响；转台用于支撑和旋转被测件；大1/4探头环用于安装多探头天线；射频链路紧张包括测试探头、传输线、放大器和射频开关等射频组件，用来实现不同频段的通信功能测试，本OTA暗室无线测试系统详细的逻辑框图如图1所示。

图1 本OTA暗室测试系统逻辑框图

为知足智能家电产品无线性能的全面测试，综合园地面积、培植本钱[5]等成分，屏蔽暗室采取大1/4环多探头半球近场测试系统，在垂直面0～105范围内分布22个探头，该办法最小可实现5的密集采样间隔。
一维转台在水平面上实现360范围的旋转，从而实现上半空间内的3D采样，详细如图2所示。
对付多数大型家用电器都放置于地面上，常日不才半球辐射较小，本OTA暗室无线测试系统探头环覆盖水平面以下15的范围，可知足大型白色智能家电产品的多项无线性能参数测试需求。

图2 大1/4环多探头半球近场测试系统的暗室构造示意图

1.2 本系统TIRP测试事理

TIRP是指无线终端在空间三维球面上的辐射功率积分值，反应了无线终端在三维空间所有方向上的发射特性[7]。
为方便打算TIRP和TIRS，引入球形坐标系表示电磁场，图3 a) 为范例球形坐标系，定义为丈量点与+z轴之间的夹角，角定义为丈量点在xy平面的投影与+x轴之间的夹角。
基于球形坐标系，可以定义每一个丈量点的两个正交极化[8]方向，极化方向定义为轴旋转时的运动方向，极化方向定义为轴旋转时的运动方向，详细如图3 b) 所示。

图3 本暗室球形坐标系统与丈量天线极化示意图

根据图3 b)，定义被测物（EUT，equipment under test）天线的净输入功率为Pt，本OTA暗室测试系统的环探头在垂直面最大覆盖105，即7/12弧度，基于本系统空想点源在间隔r处的面功率密度0为：

若定义EUT天线的三维绝对增益函数为G(,)，则EUT天线在三维球面r处的功率密度为：

对式（2）进行三维积分可得当前情形下EUT天线的总全向辐射功率TIRP：

将式（2）带入式（3）进一步化简可得：

EUT天线的净输入功率Pt与天线增益函数的乘积，称作EUT的有效全向辐射功率（EIRP，effective isotropic radiated power），单位为mW，则有：

将式（5）带入式（4）中可得：

实际在本系统的OTA暗室对EUT的TIRP性能进行测试时，须要将公式（6）进行离散化处理，并在纬度和经度年夜将角度进行量化，设定和的样本数分别为N和M，则(n,m)对应一个采样点，角和角的采样角度间隔为=7/12N和=2/M，基于公式（6）的得到本测试系统TIRP的离散化公式为：

上述式中，i是轴上第i个采样点角度；j是轴上第j个采样点角度；EIRP(i,j)是在角度（i,j）上，轴极化方向上EUT的EIRP丈量结果；EIRP(i,j)是在角度（i,j）上，轴极化方向上EUT的EIRP丈量结果，单位均为mW。

1.3 本系统TIRS测试事理

TIRS是指无线终端在空间三维球面上的吸收灵敏度的积分值，反应了无线终端在三维空间所有方向上的吸收特性[7]。
假设一空间内可从和两个极化[8]不同的入射角供应相同的入射功率，同时调度两个极化的入射功率，若EUT天线馈入到EUT吸收机的均匀功率恰好知足吸收机灵敏度的限值，该均匀功率称作EUT的等效全向灵敏度（EIS，effective isotropic sensitivity）。

定义PTIS为EUT达到吸收机灵敏度限值时的天线吸收功率，该功率是EUT的误码率[9]知足限值哀求的最低性能标准，担保低误块率、高吞吐量的无线吸收能力。
根据图3 b)，将空想天线在r处的面功率密度记为EIS，则有：

三维球面上，EUT天线在(,)方向上的面功率密度记为EIS (,)，EUT天线在(,)方向上x极化的增益为Gx(,)，则有：

同时定义EUT吸收机的总灵敏度为Ps，单位为mW，EUT天线在(,)方向上x极化的等效全向灵敏度记为EISx (,)，则有：

将式（9）带入式（10）可得：

化简（11）式并带入（12）式可得：

对式（13）进一步化简可得：

即：

实际在本系统的OTA暗室对EUT的TIRS性能进行测试时，仍须要将公式（15）进行离散化，设定和的样本数分别为N和M，则(n,m)对应一个采样点，本测试系统的角和角采样间隔为=7/12N和=2/M，基于公式（15）可得到本测试系统TIRS的离散化公式为：

上述式中，i是轴上第i个采样点角度；j是轴上第j个采样点角度；EIS(i,j)是在角度(i,j)上，轴极化方向上EUT的EIS丈量结果；EIS(i,j)是在角度(i,j)上，轴极化方向上EUT的EIS丈量结果，单位均为mW。

2 测试结果与剖析

本OTA暗室测试系统支持IEEE 802.11 a/b/g/n/ac多种通信制式的无线性能测试，可选择个中一种通信制式进行比拟测试。
在IEEE 802.11b通信制式最大速率（11 Mbps）的条件下，选用华为Mate20 Pro手机作为“金机”，在深圳摩尔环宇通信技能公司的全环多探头OTA暗室测试系统和本文大1/4环多探头半球OTA暗室测试系统分别进行测试，以验证本文OTA暗室测试系统在TIRP、TIRS等无线性能测试项的可行性和丈量精度。

2.1 本系统在TIRP测试项的结果与剖析

基于华为Mate20 Pro手机，两个OTA暗室在TIRP的比拟测试结果如表1所示，图4是华为Mate20 Pro手机在两个暗室TIRP测试时第6信道的天线3D方向图。
在Wi-Fi IEEE 802.11b通信制式最高速率（11 Mbps）的条件下，两个OTA暗室的测试结果基本相同，三个信道测试的最大偏差为0.51 dB。

表1 TIRP的比拟测试结果

图4 TIRP测试时第6信道的天线3D方向图比拟

2.2 本系统在TIRS测试项的结果与剖析

同样基于华为Mate20 Pro手机，两个OTA暗室在TIRS的比拟测试结果如表2所示，图5是华为Mate20 Pro手机在两个暗室TIRS测试时第6信道的天线3D方向图。
在Wi-Fi IEEE 802.11b通信制式的最大速率（11 Mbps）下，两个OTA暗室的测试结果基本相同，三个信道测试的最大偏差为0.36 dB。

表2 TIRS的比拟测试结果

图5 TIRS测试时第6信道的天线3D方向图比拟

2.3 大型智能家电产品在本系统的测试结果

本OTA暗室测试系统可以知足冰箱、空调、酒柜等大型智能家电产品的无线性能测试需求，图6是X品牌冰箱在本OTA暗室测试的实物图，表3是X品牌冰箱在本暗室系统TIRP、TIRS的测试结果，图7是X品牌冰箱在本暗室TIRP测试、TIRS测试时第6信道的天线3D方向图。

图6 X品牌冰箱在本文暗室测试的实物图

表3 X品牌冰箱在本文暗室系统TIRP、TIRS测试结果

图7 X品牌冰箱在本文暗室系统TIRP、TIRS测试时天线3D方向图

3 结论

通过“金机”的测试数据比拟，本文研究的大1/4环多探头半球OTA暗室测试系统与深圳摩尔环宇通信技能公司的全环多探头OTA暗室测试系统在丈量结果上存在少许偏差，该偏差值在许可范围之内，后期可通过上位机软件进行补偿和肃清。
因此本文的大1/4环多探头半球OTA暗室测试系统在TIRP、TIRS等其他无线射频性能测试项上可以知足CTIA测试标准。
基于本方案的无线性能测试系统可以有效、准确、快速地完成大型智能家电产品的无线性能测试，并节约园地资源和培植本钱，具有极高的性价比。

本OTA暗室测试系统自建立以来，完成了冰箱、空调、洗衣机、电视、酒柜、烤箱、Wi-Fi无线模组等多种品类和型号的产品无线性能测试，为智能家电产品和Wi-Fi无线模组的前期开拓和设计优化供应了有利的参考，具有实用代价。

参考文献

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（任务编辑：张晏榕）

作者简介：

殷宪宇，男（1993—），硕士学位。

研究方向：智能家电技能。

地址：山东省青岛市崂山区松岭路399号。

E-mail：yinxianyu@hisense.com。

文章引用 (GB/T 7714-2015格式引文) :

[1] 殷宪宇, 仝清付, 李勇, 等. 智能家电产品无线性能测试系统的研究及运用[J]. 家电科技, 2023(06):28-32.

DOI:10.19784/j.cnki.issn1672-0172.2023.06.003.