用于4G-LTE频段噪声测试和互调测试的滤波器组件 滤波器, 网络

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随着4GLTE网络逐步在全球铺开，其数据传输速度高于蜂窝3G系统，但由于它使用了重叠的频段，产生了新的互调干扰源（IMsource），带来了日益严峻的干扰问题。现有的测试协议主要关注两个载波信号产生的互调产物，但实际上存在着多个调制载波问题。对于X（MHz）调制带宽的载波来说，其三阶互调产物将呈现3倍的调制带宽，并遍布接收机的底噪。根据经验法则，接收机底噪每上升20dB，其有效覆盖区域将以10倍的比例缩小。很显然，这对投资回报（ROI）和服务质量（QoS）有着重要影响。
　　LTE网络自身会产生一定的噪声干扰，但是4G测试协议考虑得更加宽泛，包括了来自非LTE网络（GSM、UMTS等）的阻塞信号产生的共站干扰。由于网络覆盖和数据吞吐量受噪声信号干扰比（SNIR）的严重影响，LTE协议要求整个元器件供应链都进行严格的测试。从功率放大器和收发芯片组，到用于阻抗匹配网络的可调电容和多种无源器件，供应商若能满足互调指标并提供互调测试数据，将拥有战略竞争优势。如果缺乏此类测试设备，将迫使从研发到生产的各个岗位的工程师搭建自己的测试系统。
　　每个器件的非线性程度将影响到系统的互调水平。测量时，待建系统或待维护系统的性能可通过以下途径来逐一模拟并优化，包括空间方案、设备隔离、保护频段、器件选择等。
　　传统上使用两个等功率发射载波的测试系统，测量的是落在接收频段的三阶互调产物，主要针对带内干扰的测试。但对4G网络来说，主要的互调来源包括阻塞信号，如低频设备（UHF发射机、电视、GPS等）的单载波产生的二次谐波，以及带内发射信号与非LTE通信平台的干扰信号产生的二阶、三阶互调产物。
　　本文描述了测试系统的射频滤波模块系统。随着频段数量激增，这些系统模块可被灵活地插入（取出）系统，从而提供基于多个LTE频段的测试。可定制化的测试模块和灵活的整体系统设计实现了基于两个信号或多个信号混合的互调测试。
　　无源互调（PIM）和互调（IM）
　　尽管“无源互调（PIM）”和“互调（IM）”经常可互换使用，但事实上，无源互调产物是由不当的生产和安装过程引起的，如糟糕的焊点、金属与金属的接合、磁性材料、有瑕疵的表面处理等。这些问题，从本质上讲，和频率的相关性不是很强，因此我们可以使用单频段而非多频段对无源产品（线缆、连接器等）进行无源互调测试。行业共识是，基于两个+43dBm的载波输入，无源器件的无源互调值要达到-156dBc~-169dBc的水平。为了满足合格的测试设备的动态范围，要避免输入载波反射回源头，因这种反射会提升系统底噪。
　　相较而言，互调产物（IM）是由非线性器件带来的，如PIN二极管、晶体管、可调BAW/SAW滤波器、MEMS电容器等。它对频率的依赖性比较高，因此互调测试必须在多频段基础上进行，尤其是要基于指定的运行频段。从数字上看，行业目前指定的互调水平（IMD）不如无源互调水平（PIM）严苛，但随着载波功率等级的提高，这二者之间的差距正不断缩小。
　　IP3和互调测试
　　对于一般的被测器件来说，非线性会导致互调产物的原因在很多文献中都有所涉及。从搭建一套测试设备来看，要求的动态范围越宽（通常是互调指标再加10dB），越需要注意防止新产生的互调产物和反射的能量进入被测器件。以下是行业认可的典型的基于LTE频段的互调水平：
　　●无线基站的大功率无源器件：两个+43dBm载波下达到-113dBm;
　　●分布式天线系统（DAS）的大功率无源器件：两个+43dBm载波下达到-118dBm;
　　●无源互调分析仪的大功率无源器件：两个+43dBm载波下达到-127dBm;
　　●小功率宽带开关，MEMS电容器，收发芯片组和可调器件：两个+26dBm载波下达到-140dBm（很多情况下，第一个载波是传输频段，第二个是阻塞频段）。
　　三阶交截点（IP3）和互调失真（IMD）之间的换算式如下（单位：dBm）：IP3=P+IMD/2，其中，IMD是三阶互调失真和两个P功率载波的差额。
　　案例1：
　　一个普遍使用的测试系统（如图1所示）包含两个来自下行（DL）频段的发射信号，并在接收频段产生三阶互调失真。在该系统中，功放和低互调3dB电桥较容易获取，并且隔离器也相对便宜，带来了一定的便利性和经济性，但是这个被广泛应用的方案有着较窄的动态范围。
　　放大器通过隔离器和3dB电桥有50dB的隔离度。基于被测器件的回损情况，两个发射信号会被反射回耦合器，并在Tx1口和Tx2口之间均匀分配。由于隔离器是磁性器件，将产生新的互调失真，并在耦合器处产生高互调产物。因此，Tx滤波器必须在接收频段具有100dB以上的抑制，从而阻止这些互调产物进入Rx滤波器，同时，放大器需要产生3.5dB以上的增益，来抵消隔离器和耦合器带来的损耗。被测器件的回损越大，设备的动态范围就越受限。
2.2有效带宽法
　　有效带宽法（Effective Bandwidth，简称EBW）从严格意义来说是一个定性的传输线损耗α的测量，无法提供定量的插入损耗值，但是提供一个称之为EBW的参数。有效带宽法是通过TDR将特定上升时间的阶跃信号发射到传输线上，测量TDR仪器和被测件连接后的上升时间的最大斜率，确定为损耗因子，单位MV/s.更确切地说，它确定的是一个相对的总损耗因子，可以用来识别损耗在面与面或层与层之间传输线的变化［8］。由于最大斜率可以直接从仪器测得，有效带宽法常用于印制电路板的批量生产测试。EBW测试示意图如图4所示。
　　2.3根脉冲能量法
　　根脉冲能量法（Root ImPulse Energy，简称RIE）通常使用TDR仪器分别获得参考损耗线与测试传输线的TDR波形，然后对TDR波形进行信号处理。RIE测试流程如图5所示：
　　2.4短脉冲传播法
　　短脉冲传播法（Short Pulse Propagation，简称SPP）测试原理为利用测量两条不同长度的传输线，如30 mm和100 mm，通过测量这两个传输线线长之间的差异来提取参数衰减系数和相位常数，如图6所示。使用这种方法可以将连接器、线缆、探针和示波器精度的影响降到最小。若使用高性能的TDR仪器和IFN（Impulse Forming Network），测试频率可高达40 GHz.
　　2.5单端TDR差分插入损耗法
　　单端TDR差分插入损耗法（Single-Ended TDRto Differential Insertion Loss，简称SET2DIL）有别于采用4端口VNA的差分插损测试，该方法使用两端口TDR仪器，将TDR阶跃响应发射到差分传输线上，差分传输线末端短接，如图7所示。SET2DIL法测量典型的测量频率范围为2 GHz ~ 12 GHz，测量准确度主要受测试电缆的时延不一致和被测件阻抗不匹配的影响。SET2DIL法优势在于无需使用昂贵的4端口VNA及其校准件，被测件的传输线的长度仅为VNA方法的一半，校准件结构简单，校准耗时也大幅度降低，非常适合用于PCB制造的批量测试，如图8所示。
　　3测试设备及测试结果
　　采用介电常数3.8、介质损耗0.008、RTF铜箔的CCL分别制作SET2DIL测试板、SPP测试板和Multi-Line TRL测试板；测试设备为DSA8300采样示波器和E5071C矢量网络分析仪；各方法差分插入损耗测试结果如表2所示。

　　4结语
　　本文主要介绍了目前业界使用的几种PCB传输线信号损耗测量方法。由于采用的测试方法不同，测得插入损耗值也不一样，测试结果不能直接做横向对比，因此应根据各种技术方法的优势和限制，并且结合自身的需求选择合适的信号损耗测试技术。
　　案例2：
　　在图2中，放大器通过两个带通滤波器产生大约75dB的隔离。被测器件连接低无源互调负载，三阶互调产物可以通过接收滤波器在频谱分析仪上读取。系统可以通过一个载波固定，另一个载波扫频，来获取更多的数据点。在系统定期校准中，将三工器的公共端口接上负载，通过接收滤波器来测量三阶互调，从而校验系统的基准水平。建议使用低无源互调的连接器来保护需要频繁连接的射频端口，因为多次连接可能产生更多的无源互调问题。并且建议在公共端口使用DIN（7/16）连接器，从而实现更好的耐用性和更低的表面电流。其余三个连接头不是特别关键，它们并不影响设备的无源互调水平，因为输入的两个大载波不会同时出现。

　　案例3：
　　在图3中，通过将信号分别从被测器件的两端注入，可以进行三阶互调的传输测试或者反射测试。Tx1代表了来自发射频段的大信号，Tx2代表了任何可与Tx1混合并在接收频段产生无源互调产物的信号，如在二阶情况下，IM=Tx1-Tx2。