奧維通信股份有限公司 張大偉

沈陽出入境檢驗(yàn)檢疫局 馬 進(jìn) 李 靚

基于合路器功率容量測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

奧維通信股份有限公司 張大偉

沈陽出入境檢驗(yàn)檢疫局 馬 進(jìn) 李 靚

一、技術(shù)領(lǐng)域

本文所討論的系統(tǒng)涉及一種射頻信號(hào)功率容量測試系統(tǒng)，具體說是一種基于測試合路器功率容量的系統(tǒng)。

二、背景技術(shù)

目前，移動(dòng)通信系統(tǒng)所承載的數(shù)據(jù)越來越多，因此對器件的功率要求也越來越高，特別隨著4G技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)器件由于功率容量不足而產(chǎn)生飛弧、器件燒毀、器件指標(biāo)惡化，這些都會(huì)降低移動(dòng)通信系統(tǒng)的可靠性及安全性，特別是合路器，合路器自身要完成多個(gè)系統(tǒng)的合路，所以其對功率的承載要求相對于其他器件要高很多，此外基于目前合路器的制造工藝和使用場景，合路器的功率容量指標(biāo)也是對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)性能影響最大的參數(shù)；本文從測試合路器功率容量入手討論在功率容量測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中需要注意的問題以及改進(jìn)方案，同時(shí)針對合路器功率容量測試來介紹如何針對合路器開展功率容量的測試并如何來判斷測量結(jié)果。

三、系統(tǒng)組成及原理

工作原理：信號(hào)發(fā)生器1和信號(hào)發(fā)生器2分別發(fā)射兩個(gè)載波的調(diào)制信號(hào)，進(jìn)入功率放大器進(jìn)行功率放大，經(jīng)過濾波器進(jìn)行信號(hào)帶外信號(hào)的濾除，再通過3dB電橋?qū)?個(gè)調(diào)制后的載波進(jìn)行合路，以測試200W為例，則每個(gè)載波為50W；3dB電橋再將合路后的信號(hào)輸出給雙定向耦合器，此時(shí)正向耦合口和反向耦合口的功率會(huì)被功率計(jì)1和功率計(jì)2進(jìn)行采集，計(jì)算機(jī)通過GPIB接口讀取正向功率和反向功率，駐波比的計(jì)算過程為：

設(shè)定駐波為VSWR, ξ為反射系數(shù)，RL為回波損耗，正向功率為W1，反射功率為W2，根據(jù)駐波比的公式：

駐波比VSWR=（1+ξ）/（1+ξ）

其中RL=10Lg（W1/W2）,RL=-20lgξ，因此計(jì)算機(jī)在讀取到正向功率和反射功率后就可以計(jì)算出被測產(chǎn)品的駐波比的變化；雙定向耦合器的輸出口連接至雙工器的發(fā)射口（TX），雙工器的RX端口會(huì)將因?yàn)槠骷β嗜萘坎涣级a(chǎn)生飛弧會(huì)通過雙工器的反射口（RX）輸入至頻譜分析儀，頻譜分析儀會(huì)在要求的工作頻段內(nèi)對輸入的信號(hào)進(jìn)行峰值檢波；雙工器的輸出端口（ANT）連接被測器件，如果待測器件為吸收型器件例如負(fù)載等，則不要再連接其他模塊；如果為通過型器件（例如功分器、耦合器、衰減器等），則在器件的耦合口要安裝上低互調(diào)負(fù)載，被測器件的輸出端口連接低互調(diào)衰減器的輸入口，經(jīng)過衰減器后衰減器的輸出口連接功率計(jì)3，計(jì)算機(jī)監(jiān)控功率計(jì)3的信號(hào)功率變化。

四、系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化

整個(gè)功率容量測試系統(tǒng)由信號(hào)發(fā)射控制系統(tǒng)、信號(hào)放大系統(tǒng)、信號(hào)分離系統(tǒng)、散熱系統(tǒng)、負(fù)載等幾部分組成；本文針對這些基礎(chǔ)組成部分進(jìn)行逐個(gè)討論設(shè)計(jì)要求及應(yīng)用建議：發(fā)射信號(hào)控制系統(tǒng)由控制軟件及信號(hào)發(fā)生器構(gòu)成，其中軟件為自行開發(fā)，這個(gè)目前采用visual basic語言、C#等面向?qū)ο蟮某绦蚓删庉嬒鄳?yīng)的程序，這個(gè)根據(jù)自身測試需求進(jìn)行定制開發(fā)即可，軟件要求測試系統(tǒng)的開關(guān)、功率放大器的工作狀態(tài)（溫度、輸出功率、駐波）、測試系統(tǒng)的輸出功率、測試系統(tǒng)的反射功率、接入待測件后待測件的功率波動(dòng)范圍等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控；功率放大器一般已經(jīng)預(yù)留好相關(guān)接口及協(xié)議，溫度功率、駐波等參數(shù)均可以通過接口直接進(jìn)行采集；其他信號(hào)參數(shù)需要用功率計(jì)探頭進(jìn)行監(jiān)測，這些監(jiān)測數(shù)據(jù)可以通過GPIB接口進(jìn)行監(jiān)控；信號(hào)發(fā)生器目前采用美國是德的N5182系列信號(hào)發(fā)生器、德國RS的SMU200A系列，目前這兩款信號(hào)源在信號(hào)調(diào)制仿真上及測試精度上均滿足功率容量測試系統(tǒng)的要求；信號(hào)放大系統(tǒng)由若干個(gè)開關(guān)電源組成，為了避免開關(guān)電源的諧波畸變率等對測試系統(tǒng)的影響，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)過程中要嚴(yán)格選購開關(guān)電源，功率放大系統(tǒng)一般采用三級(jí)放大，即推動(dòng)級(jí)、放大級(jí)、合成級(jí)構(gòu)成，一般按照現(xiàn)有行業(yè)技術(shù)規(guī)范要求四個(gè)載波的測試要求，以均值300W，峰值1200W為例，功放峰均比要求在7dB以上，則在選配功率放大器時(shí)應(yīng)至少配置2套均值1000W，峰值4000W，這樣功率放大器在合成后再考慮相關(guān)鏈路衰減方可保證系統(tǒng)測試要求；信號(hào)分離系統(tǒng)采用大功率低互調(diào)雙工器，要求雙工器的功率容量均值在1000W以上，峰值功率在8000W以上的情況下時(shí)沒有飛弧，反射互調(diào)小于-165dBc；負(fù)載主要應(yīng)用于多載波測試場景中，用3dB電橋合路后的多余的輸出端口要安裝高功率低互調(diào)負(fù)載；以及測試其他直通型器件在器件的多余端口安裝上相應(yīng)高功率、低互調(diào)負(fù)載；散熱系統(tǒng)主要解決系統(tǒng)在正常功率時(shí)散發(fā)的熱量，如果熱量不及時(shí)排除積蓄到設(shè)備當(dāng)中，會(huì)降低系統(tǒng)的使用壽命并影響測量結(jié)果；目前散熱系統(tǒng)可以采用低噪音的工業(yè)風(fēng)扇進(jìn)行排風(fēng)。本系統(tǒng)建議采用型號(hào)為TC06-040JFH/01的內(nèi)置半導(dǎo)體TEC空調(diào)，采用上述設(shè)計(jì)使得系統(tǒng)的噪聲可以降低至50分貝以下，系統(tǒng)的工作溫度維持在50℃以下，其他類型的功率容量測試平臺(tái)由于溫升的緣故其工作溫度均高于50℃。

各部分功能及詳細(xì)技術(shù)要求如下：

1.信號(hào)源：根據(jù)計(jì)算機(jī)的指令發(fā)射多種多載波調(diào)制信號(hào)，例如：GMSK信號(hào)、CDMA信號(hào)、EDGE信號(hào)、WCDM信號(hào)、TD-LTE信號(hào)、FDD-LTE信號(hào)；該信號(hào)源采用安捷倫的N5182A，可以根據(jù)測試要求進(jìn)行靈活的配置各種不同的調(diào)制信號(hào)。

技術(shù)要求：（1）工作頻段：100KHz-3GHz；（2）輸出信號(hào)電平范圍：-110dBm～+11dBm。

2.功率放大器：將信號(hào)源發(fā)射來的調(diào)制信號(hào)進(jìn)行放大，采用多載波功率放大器，最大輸出功率均值可以達(dá)到500W，峰值2500W。每個(gè)模式的功率放大器由推動(dòng)級(jí)功率放大器、輸出級(jí)功率放大器組成；根據(jù)測試模式的不同分為GSM制式功率放大器、CDMA制式功率放大器、WCDMA制式功率放大器、TD-LTE制式功率放大器、FDD-LTE制式功率放大器等。

技術(shù)要求：（1）工作電壓：DC48V；（2）輸出功率：57dBm（單載波，均值）；（3）增益：50dB；（4）帶外雜散：≤-40dBm。

3.濾波器：可以對信號(hào)源發(fā)射過來的射頻信號(hào)進(jìn)行過濾，對工作頻帶外的信號(hào)進(jìn)行濾除，該模塊為測試系統(tǒng)的可插拔模塊，根據(jù)測試樣品的不同分為GSM濾波器、CDMA濾波器、WCDMA濾波器、TD-LTE濾波器、FDD-LTE濾波器等。

技術(shù)參數(shù)：（1）工作頻段：GSM濾波器：925MHz-960MHz、CDMA濾波器：860MHz-880MHz、WCDMA濾波器：2110MHz-2170MHz、TD-LTE濾波器1：1875MHz-1920MHz&2010MHz-2025MHz&2320-2370MHz&2570-2650MHz、FDD-LTE：1830MHz-1880MHz濾波器等；（2）帶外抑制：-65dBc/100KHz；（3）功率容量：1000W（均值），8000W（峰值）。

4.雙定向耦合器：檢測系統(tǒng)正向輸出信號(hào)電平大小，檢測發(fā)射功率大小，被檢測到的正反向功率用于計(jì)算系統(tǒng)在測試狀態(tài)下的駐波變化。

（1）工作頻段：765MHz-2700MHz；

（2）耦合度：正向耦合度 50dB，反向耦合度：40dB；

（3）插入損耗：≤0.45dB；

（4）駐波比：≤1.1；

（5）功率容量：1000W（均值），8000W（峰值）；

5.雙工器：用于檢測由于器件功率容量不足而產(chǎn)生的飛弧，設(shè)定測試功率容量的頻段為TX，則飛弧會(huì)落入TX以外的頻段，而根據(jù)移動(dòng)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需要，不要對整個(gè)的工作頻段進(jìn)行監(jiān)測，只需對測試頻段對應(yīng)的接收頻段RX進(jìn)行測試即可滿足設(shè)計(jì)要求，而其他系統(tǒng)的接收頻段RX由于自身于被測系統(tǒng)之間就存在隔離，干擾可以忽略不計(jì)。

（1）工作頻段GSM雙工器：（925-960）MHz&（880-915）MHz、CDMA雙工器：（860-880）MHz&（815-835）MHz；

（2）插入損耗：GSM雙工器、CDMA雙工器≤1.0dB；WCDMA雙工器FDD-LTE雙工器≤1.3dB；

（3）駐波：≤1.1；

（4）功率容量：1000W（均值），8000W（峰值）；

（5）端口隔離度：≥80Db;

6.衰減器：該系統(tǒng)輸出信號(hào)經(jīng)過被測器件后信號(hào)電平可能仍舊很大，以移動(dòng)通信系統(tǒng)常用的腔體10dB耦合器，其直通損耗僅有1dB左右，假定測試功率為300W，則經(jīng)過被測器件后的功率仍可以達(dá)到200W左右，這對于后續(xù)接入的功率計(jì)來說功率還是非常大的，考慮此點(diǎn)在此系統(tǒng)當(dāng)中增加一個(gè)50dB的衰減器。

技術(shù)參數(shù)：

（1）工作頻段：765MHz-3GHz；

（2）衰減值及衰減精度：50dB，±0.5；

（3）駐波比：≤1.1。

7.功率計(jì)：功率計(jì)1用于檢測雙定向耦合器的正向功率，功率計(jì)2用于檢測雙定向耦合器的反向功率。功率計(jì)3：用于檢測系統(tǒng)輸出功率變化，按照功率容量測試要求，當(dāng)直通型器件經(jīng)過大功率測試信號(hào)后其信號(hào)的輸出功率變化應(yīng)在3dB以內(nèi)。

技術(shù)參數(shù)：

（1）工作頻段：9KHz-12.75GHz；

（2）接收靈敏度：-50dBm；

（3）最大輸入功率：+30dBm。

8.計(jì)算機(jī)：控制系統(tǒng)信號(hào)的開關(guān)；通過監(jiān)測功率計(jì)1和功率計(jì)2的數(shù)值來反應(yīng)被測器件的駐波變化；監(jiān)測頻譜分析儀的飛弧數(shù)量，并將整個(gè)系統(tǒng)的測試狀態(tài)及結(jié)果匯總后進(jìn)行打印或以DOC報(bào)告的形式進(jìn)行輸出存檔。

技術(shù)要求：

（1）操作系統(tǒng)：win xp，win 7，win 8;

（2）內(nèi)存：512M以上；

系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計(jì)便于后期的升級(jí)及日常的維護(hù)；從整個(gè)系統(tǒng)組成來說：信號(hào)源、頻譜分析儀、功率計(jì)、雙定向耦合器、3dB電橋均為寬頻的設(shè)計(jì)，故可以兼容不同頻段不同系統(tǒng)的測試，而功率放大器及濾波器、雙工器采用模塊化的設(shè)計(jì)即當(dāng)測試不用頻段時(shí)只需更換上述三個(gè)模塊即可；

系統(tǒng)自維護(hù)：

系統(tǒng)可自行進(jìn)行校準(zhǔn)及維護(hù)，在進(jìn)行測試及關(guān)閉測試過程中，由于功率放大器采用的是多級(jí)放大合路輸出，單路存在著推動(dòng)級(jí)過載的問題，兩路存在著相位匹配功率匹配的問題。而故在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)對于信號(hào)的輸入和關(guān)閉采用自動(dòng)控制，兩路開關(guān)時(shí)延小于1ms，相位偏差控制在5°；在信號(hào)放大和減小時(shí)調(diào)節(jié)步長可以設(shè)定，防止信號(hào)急劇變大或減小對系統(tǒng)的功率沖擊造成系統(tǒng)內(nèi)部模塊的損壞，但是考慮測到測試效率等問題在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要考慮步長的上下限：建議采用0.1dB-5dB之間均可。

五、系統(tǒng)應(yīng)用

測試過程（以GSM/DCS合路器為例）：

1.加入待測器件

將測試端口通過射頻線與合路器的GSM端口或DCS端口相連接，空閑端口安裝低互調(diào)負(fù)載；

2.向待測器件發(fā)送大功率信號(hào)

（1）設(shè)置信號(hào)發(fā)生器頻率：單載波測試時(shí)載波的中心頻點(diǎn)設(shè)置為953.6MHz，4載波測試時(shí)：設(shè)置頻點(diǎn)為942MHz，942.6MHz，953MHz，953.6MHz；

（2）打開計(jì)算機(jī)，讓計(jì)算機(jī)自動(dòng)調(diào)整信號(hào)功率直至進(jìn)入功率計(jì)1讀數(shù)為要求測試功率；

（3）頻譜分析儀設(shè)置為maxhold模式；

3.將被測器件至于溫控箱中，當(dāng)溫控箱的溫度到達(dá)50℃時(shí)，關(guān)閉溫控箱；

4.連續(xù)測試10分鐘；

5.結(jié)果判定

5.1 判定在接收頻段內(nèi)是否有飛弧現(xiàn)象；

在整個(gè)功率容量測試過程中，頻譜分析儀上顯示雜散和寬帶噪聲電平值≥-107dBm/100KHz則判斷為飛弧，檢查整體寬帶飛弧數(shù)量若大于5個(gè)，則判定為存在飛弧；

飛弧現(xiàn)象是由于，器件功率容量不足，特別是對峰值功率的承受能力不足，產(chǎn)生異常發(fā)熱、打火現(xiàn)象，從而引起上行底噪抬升，造成上行干擾。

5.2 判斷器件是否燒毀

如存在以下中任意一種情況則判定為燒毀：

（1）在測試過程中，功率計(jì)3讀數(shù)的信號(hào)降低幅度不得大于3dB，若超過3dB則為器件燒毀；

（2）在功率測試完成后可對器件的其他關(guān)鍵指標(biāo)（例如插入損耗、帶內(nèi)波動(dòng)、輸入口反射互調(diào)）進(jìn)行測試，如其他指標(biāo)不符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求則判定為燒毀；

（3）在整個(gè)測試過程中，計(jì)算機(jī)監(jiān)測的駐波比值不得大于1.5，大于1.5則判定為燒毀；

（4）在功率容量測試完成后，對器件內(nèi)部進(jìn)行外觀檢查，如果出現(xiàn)肉眼可見的黑色的打火痕跡則判斷為燒毀。

六、總結(jié)

通過該系統(tǒng)測試后合路器在網(wǎng)的故障率明顯降低，同時(shí)通過該容量容量測試系統(tǒng)可以帥選一些高功率器件用于一些關(guān)鍵場景下的信號(hào)合路器，以保證網(wǎng)絡(luò)的通信質(zhì)量，由此可見該系統(tǒng)在合路器生產(chǎn)制造過程中的重要作用。缺點(diǎn)是目前該套系統(tǒng)的加工成本較高，不適合大范圍推廣，但是該系統(tǒng)對提高移動(dòng)通信網(wǎng)的建設(shè)質(zhì)量、提升移動(dòng)通信設(shè)備性能方面是有非常的幫助的，相信在不久的將來功率容量測試系統(tǒng)必然會(huì)像網(wǎng)絡(luò)分析儀等S參數(shù)測試儀表一樣普及，得到電信運(yùn)營商、設(shè)備制造商、測試服務(wù)提供商的重視。