用于4G-LTE頻段噪聲測試和互調(diào)測試的濾波器組件

　　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)，帶來了日益嚴(yán)峻的干擾問題?，F(xiàn)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(diào)產(chǎn)物，但實(shí)際上存在著多個(gè)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(gè)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(gè)崗位的工程師搭建自己的測試系統(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。測量時(shí)，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(gè)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(gè)LTE頻段的測試?？啥ㄖ苹臏y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)信號或多個(gè)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(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(gè)+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(dòng)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(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(gè)+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(gè)+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(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)普遍使用的測試系統(tǒng)(如圖1所示)包含兩個(gè)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(gè)被廣泛應(yīng)用的方案有著較窄的動(dòng)態(tài)范圍。

　　放大器通過隔離器和3dB電橋有50dB的隔離度?；诒粶y器件的回?fù)p情況，兩個(gè)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(shí)，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(dòng)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(gè)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(gè)載波固定，另一個(gè)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(gè)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€(gè)大載波不會同時(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