用于4G-LTE頻段噪聲測試和互調測試的濾波器組件

　　隨著(zhù)4GLTE網(wǎng)絡(luò )逐步在全球鋪開(kāi)，其數據傳輸速度高于蜂窩3G系統，但由于它使用了重疊的頻段，產(chǎn)生了新的互調干擾源(IMsource)，帶來(lái)了日益嚴峻的干擾問(wèn)題?，F有的測試協(xié)議主要關(guān)注兩個(gè)載波信號產(chǎn)生的互調產(chǎn)物，但實(shí)際上存在著(zhù)多個(gè)調制載波問(wèn)題。對于X(MHz)調制帶寬的載波來(lái)說(shuō)，其三階互調產(chǎn)物將呈現3倍的調制帶寬，并遍布接收機的底噪。根據經(jīng)驗法則，接收機底噪每上升20dB，其有效覆蓋區域將以10倍的比例縮小。很顯然，這對投資回報(ROI)和服務(wù)質(zhì)量(QoS)有著(zhù)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)的阻塞信號產(chǎn)生的共站干擾。由于網(wǎng)絡(luò )覆蓋和數據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(gè)元器件供應鏈都進(jìn)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(luò )的可調電容和多種無(wú)源器件，供應商若能滿(mǎn)足互調指標并提供互調測試數據，將擁有戰略競爭優(yōu)勢。如果缺乏此類(lèi)測試設備，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試系統。

　　每個(gè)器件的非線(xiàn)性程度將影響到系統的互調水平。測量時(shí)，待建系統或待維護系統的性能可通過(guò)以下途徑來(lái)逐一模擬并優(yōu)化，包括空間方案、設備隔離、保護頻段、器件選擇等。

　　傳統上使用兩個(gè)等功率發(fā)射載波的測試系統，測量的是落在接收頻段的三階互調產(chǎn)物，主要針對帶內干擾的測試。但對4G網(wǎng)絡(luò )來(lái)說(shuō)，主要的互調來(lái)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、三階互調產(chǎn)物。

　　本文描述了測試系統的射頻濾波模塊系統。隨著(zhù)頻段數量激增，這些系統模塊可被靈活地插入(取出)系統，從而提供基于多個(gè)LTE頻段的測試?？啥ㄖ苹臏y試模塊和靈活的整體系統設計實(shí)現了基于兩個(gè)信號或多個(gè)信號混合的互調測試。

　　無(wú)源互調(PIM)和互調(IM)

　　盡管“無(wú)源互調(PIM)”和“互調(IM)”經(jīng)?？苫Q使用，但事實(shí)上，無(wú)源互調產(chǎn)物是由不當的生產(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，因此我們可以使用單頻段而非多頻段對無(wú)源產(chǎn)品(線(xiàn)纜、連接器等)進(jìn)行無(wú)源互調測試。行業(yè)共識是，基于兩個(gè)+43dBm的載波輸入，無(wú)源器件的無(wú)源互調值要達到-156dBc~-169dBc的水平。為了滿(mǎn)足合格的測試設備的動(dòng)態(tài)范圍，要避免輸入載波反射回源頭，因這種反射會(huì )提升系統底噪。

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

　　IP3和互調測試

　　對于一般的被測器件來(lái)說(shuō)，非線(xiàn)性會(huì )導致互調產(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(lái)看，要求的動(dòng)態(tài)范圍越寬(通常是互調指標再加10dB)，越需要注意防止新產(chǎn)生的互調產(chǎn)物和反射的能量進(jìn)入被測器件。以下是行業(yè)認可的典型的基于LTE頻段的互調水平：

　　●無(wú)線(xiàn)基站的大功率無(wú)源器件：兩個(gè)+43dBm載波下達到-113dBm;

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

　　●無(wú)源互調分析儀的大功率無(wú)源器件：兩個(gè)+43dBm載波下達到-127dBm;

　　●小功率寬帶開(kāi)關(guān)，MEMS電容器，收發(fā)芯片組和可調器件：兩個(gè)+26dBm載波下達到-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)普遍使用的測試系統(如圖1所示)包含兩個(gè)來(lái)自下行(DL)頻段的發(fā)射信號，并在接收頻段產(chǎn)生三階互調失真。在該系統中，功放和低互調3dB電橋較容易獲取，并且隔離器也相對便宜，帶來(lái)了一定的便利性和經(jīng)濟性，但是這個(gè)被廣泛應用的方案有著(zhù)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?；诒粶y器件的回損情況，兩個(gè)發(fā)射信號會(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)生新的互調失真，并在耦合器處產(chǎn)生高互調產(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。被測器件的回損越大，設備的動(dòng)態(tài)范圍就越受限。

　　圖1 反射模式測量三階互調

　　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。被測器件連接低無(wú)源互調負載，三階互調產(chǎn)物可以通過(guò)接收濾波器在頻譜分析儀上讀取。系統可以通過(guò)一個(gè)載波固定，另一個(gè)載波掃頻，來(lái)獲取更多的數據點(diǎn)。在系統定期校準中，將三工器的公共端口接上負載，通過(guò)接收濾波器來(lái)測量三階互調，從而校驗系統的基準水平。建議使用低無(wú)源互調的連接器來(lái)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(wú)源互調問(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，它們并不影響設備的無(wú)源互調水平，因為輸入的兩個(gè)大載波不會(huì )同時(shí)出現。

　　圖2 使用一個(gè)三工器互調

　　案例3：

　　在圖3中，通過(guò)將信號分別從被測器件的兩端注入，可以進(jìn)行三階互調的傳輸測試或者反射測試。Tx1代表了來(lái)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(wú)源互調產(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