用于4G LTE頻段噪聲測(cè)試和互調(diào)測(cè)試的濾波器組件

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(lái)了日益嚴(yán)峻的干擾問(wèn)題?，F(xiàn)有的測(cè)試協(xié)議主要關(guān)注兩個(gè)載波信號(hào)產(chǎn)生的互調(diào)產(chǎn)物，但實(shí)際上存在著多個(gè)調(diào)制載波問(wèn)題。對(duì)于X(MHz)調(diào)制帶寬的載波來(lái)說(shuō)，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(duì)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(huì)產(chǎn)生一定的噪聲干擾，但是4G測(cè)試協(xié)議考慮得更加寬泛，包括了來(lái)自非LTE網(wǎng)絡(luò)(GSM、UMTS等)的阻塞信號(hào)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(hào)干擾比(SNIR)的嚴(yán)重影響，LTE協(xié)議要求整個(gè)元器件供應(yīng)鏈都進(jìn)行嚴(yán)格的測(cè)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(wú)源器件，供應(yīng)商若能滿足互調(diào)指標(biāo)并提供互調(diào)測(cè)試數(shù)據(jù)，將擁有戰(zhàn)略競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。如果缺乏此類測(cè)試設(shè)備，將迫使從研發(fā)到生產(chǎn)的各個(gè)崗位的工程師搭建自己的測(cè)試系統(tǒng)。

每個(gè)器件的非線性程度將影響到系統(tǒng)的互調(diào)水平。測(cè)量時(shí)，待建系統(tǒng)或待維護(hù)系統(tǒng)的性能可通過(guò)以下途徑來(lái)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(gè)等功率發(fā)射載波的測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)量的是落在接收頻段的三階互調(diào)產(chǎn)物，主要針對(duì)帶內(nèi)干擾的測(cè)試。但對(duì)4G網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，主要的互調(diào)來(lái)源包括阻塞信號(hào)，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(hào)與非LTE通信平臺(tái)的干擾信號(hào)產(chǎn)生的二階、三階互調(diào)產(chǎn)物。

本文描述了測(cè)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(gè)LTE頻段的測(cè)試。可定制化的測(cè)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(gè)信號(hào)或多個(gè)信號(hào)混合的互調(diào)測(cè)試。

無(wú)源互調(diào)(PIM)和互調(diào)(IM)

盡管“無(wú)源互調(diào)(PIM)”和“互調(diào)(IM)”經(jīng)?？苫Q使用，但事實(shí)上，無(wú)源互調(diào)產(chǎn)物是由不當(dāng)?shù)纳a(chǎn)和安裝過(guò)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(wèn)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(duì)無(wú)源產(chǎn)品(線纜、連接器等)進(jìn)行無(wú)源互調(diào)測(cè)試。行業(yè)共識(shí)是，基于兩個(gè)+43dBm的載波輸入，無(wú)源器件的無(wú)源互調(diào)值要達(dá)到-156dBc~-169dBc的水平。為了滿足合格的測(cè)試設(shè)備的動(dòng)態(tài)范圍，要避免輸入載波反射回源頭，因這種反射會(huì)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(lái)的，如PIN二極管、晶體管、可調(diào)BAW/SAW濾波器、MEMS電容器等。它對(duì)頻率的依賴性比較高，因此互調(diào)測(cè)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(wú)源互調(diào)水平(PIM)嚴(yán)苛，但隨著載波功率等級(jí)的提高，這二者之間的差距正不斷縮小。

IP3和互調(diào)測(cè)試

對(duì)于一般的被測(cè)器件來(lái)說(shuō)，非線性會(huì)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(cè)試設(shè)備來(lái)看，要求的動(dòng)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(cè)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(wú)線基站的大功率無(wú)源器件：兩個(gè)+43dBm載波下達(dá)到-113dBm;

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

●無(wú)源互調(diào)分析儀的大功率無(wú)源器件：兩個(gè)+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(gè)+26dBm載波下達(dá)到-140dBm(很多情況下，第一個(gè)載波是傳輸頻段，第二個(gè)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(gè)P功率載波的差額。

案例1：

一個(gè)普遍使用的測(cè)試系統(tǒng)(如圖1所示)包含兩個(gè)來(lái)自下行(DL)頻段的發(fā)射信號(hào)，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(duì)便宜，帶來(lái)了一定的便利性和經(jīng)濟(jì)性，但是這個(gè)被廣泛應(yīng)用的方案有著較窄的動(dòng)態(tài)范圍。

放大器通過(guò)隔離器和3dB電橋有50dB的隔離度。基于被測(cè)器件的回?fù)p情況，兩個(gè)發(fā)射信號(hào)會(huì)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(shí)，放大器需要產(chǎn)生3.5dB以上的增益，來(lái)抵消隔離器和耦合器帶來(lái)的損耗。被測(cè)器件的回?fù)p越大，設(shè)備的動(dòng)態(tài)范圍就越受限。

圖1 反射模式測(cè)量三階互調(diào)

案例2：

在圖2中，放大器通過(guò)兩個(gè)帶通濾波器產(chǎn)生大約75dB的隔離。被測(cè)器件連接低無(wú)源互調(diào)負(fù)載，三階互調(diào)產(chǎn)物可以通過(guò)接收濾波器在頻譜分析儀上讀取。系統(tǒng)可以通過(guò)一個(gè)載波固定，另一個(gè)載波掃頻，來(lái)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(guò)接收濾波器來(lái)測(cè)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(wú)源互調(diào)的連接器來(lái)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(wú)源互調(diào)問(wèn)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(gè)連接頭不是特別關(guān)鍵，它們并不影響設(shè)備的無(wú)源互調(diào)水平，因?yàn)檩斎氲膬蓚€(gè)大載波不會(huì)同時(shí)出現(xiàn)。

圖2 使用一個(gè)三工器互調(diào)

案例3：

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

圖3 將信號(hào)從被測(cè)元件兩端注入

案例4：

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

圖4 合并兩個(gè)反射頻段的載波信號(hào)進(jìn)行互調(diào)測(cè)試

案例5：

圖5B描述了一個(gè)在接收頻段使用4端口器件的無(wú)源互調(diào)測(cè)量系統(tǒng)，圖5A解釋了濾波器框圖。三工器允許兩個(gè)或多個(gè)載波相結(jié)合，其中一個(gè)載波在發(fā)射頻段生成，另一個(gè)是阻塞信號(hào)，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(gè)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(guò)頻率更高的阻塞信號(hào)。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(gè)可通過(guò)更高頻率的阻塞信號(hào)的新雙工器。這個(gè)雙工器由一個(gè)低通(LP)濾波器和一個(gè)或多個(gè)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(gè)或多個(gè)帶通濾波器用來(lái)通過(guò)頻率更高的阻塞信號(hào)。例如，對(duì)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(cè)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(gè)信號(hào)在發(fā)射頻段生成，第二個(gè)信號(hào)是阻塞信號(hào)。對(duì)于覆蓋880MHz~960MHz的帶阻濾波器來(lái)說(shuō)，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(wú)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(guò)2685MHz~2790MHz之間的信號(hào);也可以再引進(jìn)一個(gè)高通濾波器(HPF)取代帶通濾波器，使得阻塞信號(hào)的頻率提升至12.75GHz.信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的阻塞信號(hào)通過(guò)一個(gè)“非反射”的開關(guān)，從而在傳輸模式和反射模式下測(cè)試無(wú)源互調(diào)產(chǎn)物。

圖6 帶通三工器進(jìn)行互調(diào)測(cè)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(lái)了日益嚴(yán)峻的干擾問(wèn)題?，F(xiàn)有的測(cè)試協(xié)議主要關(guān)注兩個(gè)載波信號(hào)產(chǎn)生的互調(diào)產(chǎn)物，但實(shí)際上存在著多個(gè)調(diào)制載波問(wèn)題。對(duì)于X(MHz)調(diào)制帶寬的載波來(lái)說(shuō)，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(duì)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(huì)產(chǎn)生一定的噪聲干擾，但是4G測(cè)試協(xié)議考慮得更加寬泛，包括了來(lái)自非LTE網(wǎng)絡(luò)(GSM、UMTS等)的阻塞信號(hào)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(hào)干擾比(SNIR)的嚴(yán)重影響，LTE協(xié)議要求整個(gè)元器件供應(yīng)鏈都進(jìn)行嚴(yán)格的測(cè)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(wú)源器件，供應(yīng)商若能滿足互調(diào)指標(biāo)并提供互調(diào)測(cè)試數(shù)據(jù)，將擁有戰(zhàn)略競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。如果缺乏此類測(cè)試設(shè)備，將迫使從研發(fā)到生產(chǎn)的各個(gè)崗位的工程師搭建自己的測(cè)試系統(tǒng)。

每個(gè)器件的非線性程度將影響到系統(tǒng)的互調(diào)水平。測(cè)量時(shí)，待建系統(tǒng)或待維護(hù)系統(tǒng)的性能可通過(guò)以下途徑來(lái)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(gè)等功率發(fā)射載波的測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)量的是落在接收頻段的三階互調(diào)產(chǎn)物，主要針對(duì)帶內(nèi)干擾的測(cè)試。但對(duì)4G網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，主要的互調(diào)來(lái)源包括阻塞信號(hào)，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(hào)與非LTE通信平臺(tái)的干擾信號(hào)產(chǎn)生的二階、三階互調(diào)產(chǎn)物。