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用于4G LTE頻段噪聲測試和互調(diào)測試的濾波器組件

2014-06-19 來源:百度文庫 字號:

隨著4GLTE網(wǎng)絡(luò)逐步在全球鋪開,其數(shù)據(jù)傳輸速度高于蜂窩3G系統(tǒng),但由于它使用了重疊的頻段,產(chǎn)生了新的互調(diào)干擾源(IMsource),帶來了日益嚴(yán)峻的干擾問題。現(xiàn)有的測試協(xié)議主要關(guān)注兩個載波信號產(chǎn)生的互調(diào)產(chǎn)物,但實(shí)際上存在著多個調(diào)制載波問題。對于X(MHz)調(diào)制帶寬的載波來說,其三階互調(diào)產(chǎn)物將呈現(xiàn)3倍的調(diào)制帶寬,并遍布接收機(jī)的底噪。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)法則,接收機(jī)底噪每上升20dB,其有效覆蓋區(qū)域?qū)⒁?0倍的比例縮小。很顯然,這對投資回報(bào)(ROI)和服務(wù)質(zhì)量(QoS)有著重要影響。

LTE網(wǎng)絡(luò)自身會產(chǎn)生一定的噪聲干擾,但是4G測試協(xié)議考慮得更加寬泛,包括了來自非LTE網(wǎng)絡(luò)(GSM、UMTS等)的阻塞信號產(chǎn)生的共站干擾。由于網(wǎng)絡(luò)覆蓋和數(shù)據(jù)吞吐量受噪聲信號干擾比(SNIR)的嚴(yán)重影響,LTE協(xié)議要求整個元器件供應(yīng)鏈都進(jìn)行嚴(yán)格的測試。從功率放大器和收發(fā)芯片組,到用于阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的可調(diào)電容和多種無源器件,供應(yīng)商若能滿足互調(diào)指標(biāo)并提供互調(diào)測試數(shù)據(jù),將擁有戰(zhàn)略競爭優(yōu)勢。如果缺乏此類測試設(shè)備,將迫使從研發(fā)到生產(chǎn)的各個崗位的工程師搭建自己的測試系統(tǒng)。

每個器件的非線性程度將影響到系統(tǒng)的互調(diào)水平。測量時,待建系統(tǒng)或待維護(hù)系統(tǒng)的性能可通過以下途徑來逐一模擬并優(yōu)化,包括空間方案、設(shè)備隔離、保護(hù)頻段、器件選擇等。

傳統(tǒng)上使用兩個等功率發(fā)射載波的測試系統(tǒng),測量的是落在接收頻段的三階互調(diào)產(chǎn)物,主要針對帶內(nèi)干擾的測試。但對4G網(wǎng)絡(luò)來說,主要的互調(diào)來源包括阻塞信號,如低頻設(shè)備(UHF發(fā)射機(jī)、電視、GPS等)的單載波產(chǎn)生的二次諧波,以及帶內(nèi)發(fā)射信號與非LTE通信平臺的干擾信號產(chǎn)生的二階、三階互調(diào)產(chǎn)物。

本文描述了測試系統(tǒng)的射頻濾波模塊系統(tǒng)。隨著頻段數(shù)量激增,這些系統(tǒng)模塊可被靈活地插入(取出)系統(tǒng),從而提供基于多個LTE頻段的測試。可定制化的測試模塊和靈活的整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于兩個信號或多個信號混合的互調(diào)測試。

無源互調(diào)(PIM)和互調(diào)(IM)

盡管“無源互調(diào)(PIM)”和“互調(diào)(IM)”經(jīng)常可互換使用,但事實(shí)上,無源互調(diào)產(chǎn)物是由不當(dāng)?shù)纳a(chǎn)和安裝過程引起的,如糟糕的焊點(diǎn)、金屬與金屬的接合、磁性材料、有瑕疵的表面處理等。這些問題,從本質(zhì)上講,和頻率的相關(guān)性不是很強(qiáng),因此我們可以使用單頻段而非多頻段對無源產(chǎn)品(線纜、連接器等)進(jìn)行無源互調(diào)測試。行業(yè)共識是,基于兩個+43dBm的載波輸入,無源器件的無源互調(diào)值要達(dá)到-156dBc~-169dBc的水平。為了滿足合格的測試設(shè)備的動態(tài)范圍,要避免輸入載波反射回源頭,因這種反射會提升系統(tǒng)底噪。

相較而言,互調(diào)產(chǎn)物(IM)是由非線性器件帶來的,如PIN二極管、晶體管、可調(diào)BAW/SAW濾波器、MEMS電容器等。它對頻率的依賴性比較高,因此互調(diào)測試必須在多頻段基礎(chǔ)上進(jìn)行,尤其是要基于指定的運(yùn)行頻段。從數(shù)字上看,行業(yè)目前指定的互調(diào)水平(IMD)不如無源互調(diào)水平(PIM)嚴(yán)苛,但隨著載波功率等級的提高,這二者之間的差距正不斷縮小。

IP3和互調(diào)測試

對于一般的被測器件來說,非線性會導(dǎo)致互調(diào)產(chǎn)物的原因在很多文獻(xiàn)中都有所涉及。從搭建一套測試設(shè)備來看,要求的動態(tài)范圍越寬(通常是互調(diào)指標(biāo)再加10dB),越需要注意防止新產(chǎn)生的互調(diào)產(chǎn)物和反射的能量進(jìn)入被測器件。以下是行業(yè)認(rèn)可的典型的基于LTE頻段的互調(diào)水平:

●無線基站的大功率無源器件:兩個+43dBm載波下達(dá)到-113dBm;

●分布式天線系統(tǒng)(DAS)的大功率無源器件:兩個+43dBm載波下達(dá)到-118dBm;

●無源互調(diào)分析儀的大功率無源器件:兩個+43dBm載波下達(dá)到-127dBm;

●小功率寬帶開關(guān),MEMS電容器,收發(fā)芯片組和可調(diào)器件:兩個+26dBm載波下達(dá)到-140dBm(很多情況下,第一個載波是傳輸頻段,第二個是阻塞頻段)。

三階交截點(diǎn)(IP3)和互調(diào)失真(IMD)之間的換算式如下(單位:dBm):IP3=P+IMD/2,其中,IMD是三階互調(diào)失真和兩個P功率載波的差額。

案例1:

一個普遍使用的測試系統(tǒng)(如圖1所示)包含兩個來自下行(DL)頻段的發(fā)射信號,并在接收頻段產(chǎn)生三階互調(diào)失真。在該系統(tǒng)中,功放和低互調(diào)3dB電橋較容易獲取,并且隔離器也相對便宜,帶來了一定的便利性和經(jīng)濟(jì)性,但是這個被廣泛應(yīng)用的方案有著較窄的動態(tài)范圍。

放大器通過隔離器和3dB電橋有50dB的隔離度。基于被測器件的回?fù)p情況,兩個發(fā)射信號會被反射回耦合器,并在Tx1口和Tx2口之間均勻分配。由于隔離器是磁性器件,將產(chǎn)生新的互調(diào)失真,并在耦合器處產(chǎn)生高互調(diào)產(chǎn)物。因此,Tx濾波器必須在接收頻段具有100dB以上的抑制,從而阻止這些互調(diào)產(chǎn)物進(jìn)入Rx濾波器,同時,放大器需要產(chǎn)生3.5dB以上的增益,來抵消隔離器和耦合器帶來的損耗。被測器件的回?fù)p越大,設(shè)備的動態(tài)范圍就越受限。


圖1 反射模式測量三階互調(diào)

案例2:

在圖2中,放大器通過兩個帶通濾波器產(chǎn)生大約75dB的隔離。被測器件連接低無源互調(diào)負(fù)載,三階互調(diào)產(chǎn)物可以通過接收濾波器在頻譜分析儀上讀取。系統(tǒng)可以通過一個載波固定,另一個載波掃頻,來獲取更多的數(shù)據(jù)點(diǎn)。在系統(tǒng)定期校準(zhǔn)中,將三工器的公共端口接上負(fù)載,通過接收濾波器來測量三階互調(diào),從而校驗(yàn)系統(tǒng)的基準(zhǔn)水平。建議使用低無源互調(diào)的連接器來保護(hù)需要頻繁連接的射頻端口,因?yàn)槎啻芜B接可能產(chǎn)生更多的無源互調(diào)問題。并且建議在公共端口使用DIN(7/16)連接器,從而實(shí)現(xiàn)更好的耐用性和更低的表面電流。其余三個連接頭不是特別關(guān)鍵,它們并不影響設(shè)備的無源互調(diào)水平,因?yàn)檩斎氲膬蓚€大載波不會同時出現(xiàn)。

圖2 使用一個三工器互調(diào)

案例3:

在圖3中,通過將信號分別從被測器件的兩端注入,可以進(jìn)行三階互調(diào)的傳輸測試或者反射測試。Tx1代表了來自發(fā)射頻段的大信號,Tx2代表了任何可與Tx1混合并在接收頻段產(chǎn)生無源互調(diào)產(chǎn)物的信號,如在二階情況下,IM=Tx1-Tx2.

圖3 將信號從被測元件兩端注入

案例4:

雙工器的輸出覆蓋了整個下行和上行頻段。這個系統(tǒng)(圖4)僅當(dāng)無源互調(diào)產(chǎn)物落在接收頻段時才能采用。


圖4 合并兩個反射頻段的載波信號進(jìn)行互調(diào)測試

案例5:

圖5B描述了一個在接收頻段使用4端口器件的無源互調(diào)測量系統(tǒng),圖5A解釋了濾波器框圖。三工器允許兩個或多個載波相結(jié)合,其中一個載波在發(fā)射頻段生成,另一個是阻塞信號,其頻率可以是從DC到2.5倍中心頻點(diǎn)(Fo)的任何頻率。這個2.5倍的限定是由帶阻濾波器的特性決定的。

圖5 帶阻-帶通-帶通濾波器

案例6:

如圖6所示,帶阻濾波器的遠(yuǎn)端通帶必須延伸,從而能夠通過頻率更高的阻塞信號。為了克服帶阻濾波器的遠(yuǎn)端通帶的陷落,我們引入了一個可通過更高頻率的阻塞信號的新雙工器。這個雙工器由一個低通(LP)濾波器和一個或多個帶通(BP)濾波器構(gòu)成。其中低通濾波器的截止頻率低于中心頻點(diǎn)的2.5倍,一個或多個帶通濾波器用來通過頻率更高的阻塞信號。例如,對LTE8頻段,上行頻段是手持設(shè)備的發(fā)射頻段:從925MHz到960MHz;相關(guān)的阻塞頻段是45M帶寬:從880MHz到915MHz、1805MHz到1875MHz,以及2685MHz到2790MHz.在測試手持設(shè)備產(chǎn)生的落在接收頻段的互調(diào)產(chǎn)物中,一個信號在發(fā)射頻段生成,第二個信號是阻塞信號。對于覆蓋880MHz~960MHz的帶阻濾波器來說,大約2200MHz是遠(yuǎn)端通帶的極限。眾多文獻(xiàn)有介紹關(guān)于擴(kuò)展遠(yuǎn)端通帶的各種技術(shù),但沒有發(fā)現(xiàn)有適用于低無源互調(diào)設(shè)計(jì)的方案。低通-帶通雙工器的引進(jìn)使得低通濾波器(LPF)的截止頻率在2000MHz上下,帶通濾波器(BPF)通過2685MHz~2790MHz之間的信號;也可以再引進(jìn)一個高通濾波器(HPF)取代帶通濾波器,使得阻塞信號的頻率提升至12.75GHz.信號發(fā)生器產(chǎn)生的阻塞信號通過一個“非反射”的開關(guān),從而在傳輸模式和反射模式下測試無源互調(diào)產(chǎn)物。

圖6 帶通三工器進(jìn)行互調(diào)測試 隨著4GLTE網(wǎng)絡(luò)逐步在全球鋪開,其數(shù)據(jù)傳輸速度高于蜂窩3G系統(tǒng),但由于它使用了重疊的頻段,產(chǎn)生了新的互調(diào)干擾源(IMsource),帶來了日益嚴(yán)峻的干擾問題。現(xiàn)有的測試協(xié)議主要關(guān)注兩個載波信號產(chǎn)生的互調(diào)產(chǎn)物,但實(shí)際上存在著多個調(diào)制載波問題。對于X(MHz)調(diào)制帶寬的載波來說,其三階互調(diào)產(chǎn)物將呈現(xiàn)3倍的調(diào)制帶寬,并遍布接收機(jī)的底噪。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)法則,接收機(jī)底噪每上升20dB,其有效覆蓋區(qū)域?qū)⒁?0倍的比例縮小。很顯然,這對投資回報(bào)(ROI)和服務(wù)質(zhì)量(QoS)有著重要影響。

LTE網(wǎng)絡(luò)自身會產(chǎn)生一定的噪聲干擾,但是4G測試協(xié)議考慮得更加寬泛,包括了來自非LTE網(wǎng)絡(luò)(GSM、UMTS等)的阻塞信號產(chǎn)生的共站干擾。由于網(wǎng)絡(luò)覆蓋和數(shù)據(jù)吞吐量受噪聲信號干擾比(SNIR)的嚴(yán)重影響,LTE協(xié)議要求整個元器件供應(yīng)鏈都進(jìn)行嚴(yán)格的測試。從功率放大器和收發(fā)芯片組,到用于阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的可調(diào)電容和多種無源器件,供應(yīng)商若能滿足互調(diào)指標(biāo)并提供互調(diào)測試數(shù)據(jù),將擁有戰(zhàn)略競爭優(yōu)勢。如果缺乏此類測試設(shè)備,將迫使從研發(fā)到生產(chǎn)的各個崗位的工程師搭建自己的測試系統(tǒng)。

每個器件的非線性程度將影響到系統(tǒng)的互調(diào)水平。測量時,待建系統(tǒng)或待維護(hù)系統(tǒng)的性能可通過以下途徑來逐一模擬并優(yōu)化,包括空間方案、設(shè)備隔離、保護(hù)頻段、器件選擇等。

傳統(tǒng)上使用兩個等功率發(fā)射載波的測試系統(tǒng),測量的是落在接收頻段的三階互調(diào)產(chǎn)物,主要針對帶內(nèi)干擾的測試。但對4G網(wǎng)絡(luò)來說,主要的互調(diào)來源包括阻塞信號,如低頻設(shè)備(UHF發(fā)射機(jī)、電視、GPS等)的單載波產(chǎn)生的二次諧波,以及帶內(nèi)發(fā)射信號與非LTE通信平臺的干擾信號產(chǎn)生的二階、三階互調(diào)產(chǎn)物。

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