用于4G LTE頻段噪聲測試和互調(diào)測試的濾波器組件

用于4GLTE頻段噪聲測試和互調(diào)測試的濾波器組件隨著4GLTE網(wǎng)絡逐步在全球鋪開，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），帶來了日益嚴峻的干擾問題?，F(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，并遍布接收機的底噪。根據(jù)經(jīng)驗法則，接收機底噪每上升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（ROI）和服務質(zhì)量（QoS）有著重要影響。LTE網(wǎng)絡自身會產(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（GSM、UMTS等）的阻塞信號產(chǎn)生的共站干擾。由于網(wǎng)絡覆蓋和數(shù)據(jù)吞吐量受噪聲信號干擾比（SNIR）的嚴重影響，LTE協(xié)議要求整個元器件供應鏈都進行嚴格的測試。從功率放大器和收發(fā)芯片組，到用于阻抗匹配網(wǎng)絡的可調(diào)電容和多種無源器件，供應商若能滿足互調(diào)指標并提供互調(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、設備隔離、保護頻段、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)絡來說，主要的互調(diào)來源包括阻塞信號，如低頻設備（UHF發(fā)射機、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?？啥ㄖ苹臏y試模塊和靈活的整體系統(tǒng)設計實現(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)?？苫Q使用，但事實上，無源互調(diào)產(chǎn)物是由不當?shù)纳a(chǎn)和安裝過程引起的，如糟糕的焊點、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，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)值要達到-156dBc~-169dBc的水平。為了滿足合格的測試設備的動態(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上進行，尤其是要基于指定的運行頻段。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，非線性會導致互調(diào)產(chǎn)物的原因在很多文獻中都有所涉及。從搭建一套測試設備來看，要求的動態(tài)范圍越寬（通常是互調(diào)指標再加10dB），越需要注意防止新產(chǎn)生的互調(diào)產(chǎn)物和反射的能量進入被測器件。以下是行業(yè)認可的典型的基于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（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)濟性，但是這個被廣泛應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。基于被測器件的回損情況，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。被測器件的回損越大，設備的動態(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。在系統(tǒng)定期校準中，將三工器的公共端口接上負載，通過接收濾波器來測量三階互調(diào)，從而校驗系統(tǒng)的基準水平。建議使用低無源互調(diào)的連接器來保護需要頻繁連接的射頻端口，因為多次連接可能產(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，它們并不影響設備的無源互調(diào)水平，因為輸入的兩個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（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是遠端通帶的極限。眾多文獻有介紹關(guān)于擴展遠端通帶的各種技術(shù)，但沒有發(fā)現(xiàn)有適用于低無源互調(diào)設計的方案。低通-帶通雙工器的引進使得低通濾波器（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帶通三工器進行互調(diào)測試隨著4GLTE網(wǎng)絡逐步在全球鋪開，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），帶來了日益嚴峻的干擾問題?，F(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，并遍布接收機的底噪。根據(jù)經(jīng)驗法則，接收機底噪每上升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（ROI）和服務質(zhì)量（QoS）有著重要影響。LTE網(wǎng)絡自身會產(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（GSM、UMTS等）的阻塞信號產(chǎn)生的共站干擾。由于網(wǎng)絡覆蓋和數(shù)據(jù)吞吐量受噪聲信號干擾比（SNIR）的嚴重影響，LTE協(xié)議要求整個元器件供應鏈都進行嚴格的測試。從功率放大器和收發(fā)芯片組，到用于阻抗匹配網(wǎng)絡的可調(diào)電容和多種無源器件，供應商若能滿足互調(diào)指標并提供互調(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