多发射LTE终端SAR问题分析及解决方案探讨

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本文摘自《移动通信》2013年5期。作者：张婷 戴国华 刘兆元

【摘 要】介绍了集成多个天线和射频模块的LTE终端SAR（比吸收率）测试方案及标准现状，对LTE终端多发射模式下是否存在SAR超标问题进行研究，四种场景下的SAR测试结果表明：多发射LTE终端存在SAR值超标问题，最后结合现状对SAR超标的解决方案进行探讨，并给出了功率回退方案建议。
　　【关键词】LTE终端 SVLTE方案 SAR 功率回退
　　中图分类号：TN87 文献标识码：B 文章编号：1006-1010（2013）-05-0031-05
　　1 引言
　　运营商移动通信网络向LTE演进过程中，LTE网络会和现有2G/3G/Wi-Fi网络共存，多模LTE终端将是主流的终端形态。以Verizon为代表的CDMA运营商在部署LTE网络时，将SVLTE（Simultaneous Voice and LTE，LTE与语音网同步支持）作为终端语音解决方案。SVLTE终端采用CDMA/LTE双模双待配置，支持LTE数据业务和CDMA2000 1X语音业务并发。SVLTE终端除集成LTE、CDMA两套射频模块和收发天线外，还兼容Wi-Fi、蓝牙等主流通信系统，需内置多套收发信机以及独立天线。
　　多发射LTE终端在多发射机并发状态下的电磁照射能量高于单发射模式，为了保证用户使用安全，多发射LTE终端应符合电磁照射安全标准。业界通过测量终端SAR（比吸收率）可以客观、准确地评估终端工作时对人体的影响，SAR值的定义为单位时间内，单位质量人体组织液所吸收的电磁波能量，单位为W/kg。中国对终端SAR测试的入网要求为：任意10g生物组织、任意连续6min平均SAR值不得超过2.0W/kg；美国联邦通讯委员会FCC对终端SAR测试入网要求为：任意1g生物组织、任意连续30min平均SAR值不得超过1.6W/kg。目前国内仅对终端单发射机靠近头部使用时的SAR值进行强制入网测试，而对LTE终端以及多发射终端的SAR值评估方法仍在制定中。FCC则制定了较完备的电磁照射评估体系[1，2]，其中包括对LTE手机和数据终端的SAR评估要求以及对具备多发射机和多天线终端的SAR评估要求，为本文进行SVLTE终端多发射模式下SAR值评估提供了较可靠的参考。
　　2 多发射LTE终端SAR评估
　　2.1 多发射终端测试方案
　　对终端多发射机并发时的SAR进行评估时，先采用空间平均SAR值峰值求和，即把终端单发射机在相应场景下同样摆放位置工作时的SAR峰值相加，这是确定多天线同时发射设备SAR值上限最简单且最保守的方法，如果SAR值之和不超过限值则可免于同时发射模式的SAR测试。
　　当多发射机空间平均SAR值峰值求和超标时，可先对每对天线的SDR（SAR值峰值距离比）进行评估。SDR等于每对天线中每个天线单独的1g平均SAR值之和除以最小SAR峰值点距离的结果中的数值部分。如果每对天线的SDR均小于0.3，则可免于同时发射模式SAR测试。
　　若以上测试评估结果均超标，则需进行同时发射模式的SAR测试。如果多个天线可以在同一频段同时发射，则需要在同一SAR测量程序中对所有这些天线进行测试，从而确定最大SAR值。为找出SAR峰值，就需要足够大的平面扫描范围以包括所有天线体积。如果多个天线在不同的频段同时发射，则需要采用不同的组织模拟液和满足不同频段要求的探头对不同的频段分别进行体积扫描。体积扫描要求在单发射模式测量时使用超大体积扫描以保证测量区域包含所有天线，且需采用较细的扫描网格分辨率，最后将单发射模式下的测试结果使用软件进行空间叠加，测试非常耗时，但评估结果更为准确。
　　2.2 测试步骤描述
　　笔者依据国内移动终端电磁照射符合性要求和SAR评估规程[3，4]，结合FCC对LTE终端以及多发射机多天线终端的SAR评估要求确定了一套严格的测试流程，对一款美国已上市SVLTE终端的SAR值进行评估，以验证多发射LTE终端是否存在SAR超标问题。
　　待测终端天线配置如表1所示，天线1用于CDMA2000 1X/EV-DO的收发以及LTE的接收分集，天线2用于LTE的收发以及CDMA2000 1X/EV-DO的接收分集。
　　由于终端支持CDMA2000 1X语音和LTE数据业务的并发，测试场景应包括以下内容：
　　CDMA2000 1X语音+LTE数据并发时靠近头部测试
　　CDMA2000 1X语音+LTE数据并发时靠近身体测试
　　CDMA数据业务时靠近身体测试
　　LTE数据业务时靠近身体测试
　　对于CDMA2000 1X语音和LTE数据并发时的SAR测试，本文先采用SAR峰值求和方法进行初步评估，因此需分别进行CDMA2000 1X语音态下头部SAR测试和LTE数据态下的头部测试，对相同摆放位置下的SAR峰值求和从而得到并发状态下的头部SAR测试结果，采用同样的方法得到并发状态下靠近身体部位的测试结果。如果SAR峰值求和的结果超标，则采用体积扫描法对超标情形下的配置和摆放位置进一步验证，所有场景下的测试流程如下：
　　（1）依照相关标准[5-7]测试CDMA2000 1X语音、CDMA2000 1X数据、EV-DO数据等不同配置下的传导功率；
　　（2）依据CDMA2000 1X语音业务态下传导功率的测试结果确定需进行SAR测试的配置；
　　（3）进行CDMA2000 1X语音业务态下靠近头部以及靠近身体部位的SAR测试；
　　（4）依据CDMA数据业务态下的传导功率测试结果确定需进行SAR测试的模式和配置。对于EV-DO Rel.0、Rev.A，如果每个信道的最大输出功率小于相应的RC3 1X RTT模式的功率值加1/4dB，则无需进行SAR测试；

（5）进行CDMA数据业务态下靠近身体部位的测试；
　　（6）依照相关标准[8]测试LTE模式下不同配置的传导功率；
　　（7）依据LTE模式下的传导功率测试结果确定初始配置进行LTE身体部位的SAR测试，并在SAR值最大摆放位置测试其它所有配置下的SAR值，选出SAR值最大的配置，采用该配置完成靠近身体的SAR测试；
　　（8）采用上一步确定的最大SAR配置进行LTE靠近头部的SAR测试；
　　（9）CDMA2000 1X语音业务态下靠近头部SAR测试结果与LTE靠近头部SAR测试结果峰值求和；
　　（10）CDMA2000 1X语音业务态下靠近身体SAR测试结果与LTE靠近身体SAR测试结果峰值求和；
　　（11）对（9）、（10）步中峰值求和所得SAR最大值的配置与位置进行体积扫描从而进一步验证。
　　2.3 测试数据分析
　　按照上一节确定的测试步骤最终得到SAR测试数据。
　　终端1X语音业务态下靠近身体以及靠近头部SAR测试结果如表3、4所示，可见靠近身体的SAR测试结果普遍高于靠近头部SAR值，在手机背部朝模型的摆放位置处测得最大值，1g平均组织内的SAR峰值（FCC标准）和10g平均组织内的SAR峰值（欧洲/中国标准）均未超标。
　　CDMA数据业务态下不存在与其它模式并发的状况，本文不再对其测试数据进行详细分析，测试结果表明CDMA数据业务态下靠近身体部位SAR测试不存在超标情况。
　　LTE模式下的配置需考虑带宽、资源块数量、资源块在频率上的偏置位置、调制方式、测试信道等多个维度，测试更为复杂。最终在配置为QPSK、1RB资源块置于信道高频位置、5M带宽时得到最大SAR值，终端在不同摆放位置时的最大SAR值测试结果如表5、6所示，可见1g平均组织内的SAR峰值和10g平均组织内的SAR峰值均未超标。
　　CDMA2000 1X、LTE单发射机模式下的测试结果均未超标，终端单发射机工作时SAR值属于合理范围之内。
　　为了初步评估CDMA2000 1X和LTE并发时的SAR值，先采用空间平均SAR值峰值求和方法，将两个模式在相同摆放位置下的最大SAR值相加，结果见表7。终端在多个模式并发状态下，保守估计靠近身体测试时手机背部朝模型摆放位置1g组织内的峰值平均SAR值为2.069，超出了FCC的限值要求；10g组织内的峰值平均SAR值达到1.441，接近了中国限值要求。为了更精确地评估多发射机并发时的SAR值，在靠近头部左手侧、右手侧、靠近身体等摆放位置下采用SAR最大的配置进行CDMA2000 1X和LTE模式下的体积扫描，得到体积扫描值，之后使用SEMCAD进行Multiband Evaluation，较峰值求和的结果有所改善。手机背部朝模型摆放时1g组织内的峰值平均SAR值为1.91，10g组织内的峰值平均SAR值为1.41。
　　由数据可知，LTE终端在CDMA2000 1X语音和LTE并发状态下1g组织内的峰值平均SAR值超过了FCC标准限值要求；10g组织内的峰值平均SAR值虽然距离2.0W/kg的标准有0.6W/kg的余量，但在考虑以下情况时仍存在SAR超标的可能性：
　　（1）当终端作为个人热点使用时存在CDMA2000 1X、LTE、Wi-Fi并发情形，Wi-Fi单独工作时的SAR根据摆放位置的不同在0.05～0.15W/kg之间，三个发射机并发时的SAR值会增加。
　　（2）当终端工作在高频时辐射能量分布不均匀，较易出现辐射热点集中，因此空间平均SAR峰值可能高于低频工作时的情形。如果终端LTE模式工作在2.1GHz、2.6GHz等高频段，SAR值可能进一步提高。
　　3 SAR超标解决方案探讨
　　当手机的SAR超标时，工程上一般通过在手机PCB底板上贴吸波材料或者改善天线设计加以优化，例如改变天线形式、走线，采用平衡天线设计或者PIFA（平面倒F天线）减小SAR值。然而对于多模LTE终端，由于存在多个发射机并发工作的情况，终端的SAR值会远高于现有水平。通过对国外已上市的多款SVLTE终端调研并对一款终端进行测试后发现，采用一般优化方案后终端依然难以避免多发射机并发时SAR超标的问题，该情况下只能通过最大发射功率回退解决，即控制终端最大发射功率来降低SAR值。
　　根据理论分析，终端的SAR值和发射功率基本成线性关系，发射功率降低，可有效降低SAR值。然而，降低终端最大发射功率会减小小区覆盖并影响终端在小区边缘的业务质量。因此，运营商需要对终端最大发射功率回退方案进行规定，以尽量降低其对网络的影响。
　　对于定制的SVLTE终端，在LTE数据和CDMA2000 1X语音并发状态下，Verizon对LTE发射机的最大发射功率要求如表8所示：
　　该方案不允许1X发射机最大发射功率回退，当1X发射机输出功率达到18.5dBm及以上时，允许LTE发射机的最大发射功率回退5dB。Verizon的SVLTE终端的LTE模式工作在BAND 13（700MHz），CDMA模式工作在BC0（800MHz）。
　　如果将来中国电信部署LTE网络，初期采用SVLTE作为语音业务解决方案，同样面临SAR超标的问题。建议采用功率回退方案时，为避免对现有CDMA网络规划和语音业务产生影响，仅对1X和LTE并发时的LTE发射机最大发射功率进行限制：
　　（1）当1X发射功率大于等于某一门限值时，允许LTE发射机最大发射功率回退；
　　（2）当1X发射功率小于门限值时，禁止LTE最大发射功率回退。
　　由于中国对SAR限值的要求不同于美国FCC标准，且LTE工作频段部署不同于Verizon，因此功率回退的门限值及大小应在确定终端的工作频段后根据SAR测试的情况制定。

4 结束语
　　本文依据国内外SAR测试方法对一款SVLTE终端多发射模式下的SAR值进行了测试验证，测试结果以及对多款终端的调研表明，多发射LTE终端存在SAR值超标问题，最大发射功率回退为最终解决方案。为了尽量避免最大发射功率回退对运营商的网络部署以及业务质量产生影响，制定合理的最大发射功率回退方案尤为重要，本文结合国外运营商的策略以及现状给出了功率回退方案建议。
　　参考文献：
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