EGSM900MHz移动通信基站天线模块中互调失真的测量与控制

Mareh2007VoI38No.](serialNo.126)航空电了技术AVIONICSTECHNOLOGYEGSM900MHz移动通信基站天线模块中互调失真的测量与控制柳光福,刘启明,沈仁年(上海埃德电磁技术有限公司,上海200237)[摘要1从理论和实践两方面阐述了EGSMgooMHz移动基站中天线模块产生的三阶和五阶互调失真对移动通讯质量的影响;详细叙述了在没有专用互调失真测试仪器的情况下,如何用通用的测量仪器、功率放大器和低互调失真的电缆构建高质量的测试系统,以满足移动通讯基站中天线模块互调失真的测量要求;最后,给出了设计和制造天线模块过程中控制互调失真的某些经验。〔关键词〕天线模块;合路器;双工器;三阶互调;五阶互调[中图分类号〕91123[文献标识码]A[文章编号〕1006一14zx(2007)01一0026一07IntermodulationDistortionsMeasuringandControllingofAntennaModulewithintheEGSM900MHzMobileCommuniCationBaseStationLIUGuang一fu,LIUQi一ming,SHENRen一nian(AERODEVEleetromagnetieTeehnologyIne.Shanghai200237,China)Abstraet:ThethirdandfifthorderinterlllodulationdlstortlonsofanantennamodulewlthintheEGSM900MHzmobileeommunieationbasestationanditsimPaetoncommunieationqualityareanalyzedfromboththetheo卿andPraetice.AmeasurementsystemofintermodulationdistortionsofanantermamodulehasbeendeveloPedusinggeneralmeasurementinstruments,PoweramPlifiersandeablewithlowerinterrnodulationdistortionslevel.It15ProvedthatthismeasurementsystemoPeratesverywellandmeasuringresultsfromourdeveloPingsamPlesofantennamodulesshowthattheyeanme弓ttherequirementsofinternationalstandardsofEGSMbasestation.SomeexPerieneeswitheontrolIingthirdandfifthorderintermodulationdistortionswithinantennamodulesaregivenintheend.Keywords:eombiner:diPlexer:antennamodule;thirdorderintermodulation:fifthorderintermodulation概述当前,移动通信在世界范围内得到了空前的发展和应用,在短短儿年内,我国的移动电话用户就跃居世界之首,通信产业的发展和技术的进步取得了举世属目的成就。现在我国营运的移动通信是属于第止代或二代半的。由于_[作原理的区别,它们分为CDMA(即C网)不11GSM(即G网)两种体制。本文讨论的移动基站大线模块用于G网的移动基站。G网移动通信中的第二代基站设备和一代半的主要区别表现在两个方面。首先,是!一作频率范围EGSM900MHz移动通信基站天线模块中互调失真的测量与控制不一样。在第乙代的基站设备中,G网的发射频率为935一960MHz,接收频率为880一905MHz,发射和接收的带宽都是25MHz,在发射和接收之间有3OMHz带宽的隔离。由于移动通信用户的急剧增加和频率资源的十分紧缺,在大多数二代半的G网移动基站中,发射频率扩展为〔925一960MHz,接收频率也相应地变为880一9巧MHz,发射和接收的频率范围都增至35MHz的带宽,这样发射和接收之间的隔离带宽就只有10MHz,既充分利用了频率资源,义极大地满足了移动用户的需求。为了区别二者的不同,把这种35MHz带宽的移动基站称为EGSM基站。其次,在第止代G网移动基站中,所用的合路器、双工器、低噪音放大器(LNA)和分路器,都是以单独部件的方式分布在基站的机柜内,它们体积大,互接电缆长。出于控制成本的考虑和技术的进步,在二代半的G网EGSM移动基站中,显著地减小了上述部件的体积、重量和连接电缆的长度,把上述儿个部件十分紧凑地组合在一起,称之为天线模块。图l为一种EGSM900MHz移动基站中大线模块的框图。该模块_1_:作时是根据移动通信系统指令,基站在Fl(。!)不IJFZ(。:)的频点发射与移动用户终端(如手机)联系的功率信号。实际上,这两路信号就是连接的两个功率放大器的输出。在。,和.2经合路器后成为能在一个端口上传输的功率信号,送到双工器的发射滤波器输入端口。在双_「器发射滤波器的输出端口与大线连接之间,设置有定向祸合器。通过它检测在天线上正向传输的功率信号的幅值和从大线反射回来的信号幅值,并把这些信息送到移动通信系统的有关电路,诊断出双工器与天线的匹配状态。若处于严重失配,则终_【卜。.和。:功率放大器的_l几作,并切断与天线模块的连接。在此同时,移动通信基站中的大线模块要接收由移动终端用户(如手机)传来的信号,因其强度远远低于。,和。:的信号电平,首先,经由双f器中的接收滤波器抑制其他干扰噪音,选出用户(如手机)传来的信号,紧接着在双_厂器接收滤波器输出端的低噪声放人器(LNA)进行放人。把基站」些福笠-2必生3月第38卷第1期(总第126期)天线模块接收到的极其微弱的用户信号放人到移动通信系统要求的电平,然后经由与LNA输出端连接的功分器,一般分成四路,传送到有关的电路进行相关处理。在上述的天线模块中,应重视以下两点。其一,在基站大线模块中传输射频人功率的条件卜,要考虑其中的合路器、双工器和与之相连的电缆和射频连接器的非线性因数的影响,特别是它们的非线性因数产生的互调失真对通信质量的影响。FI(。1)凡(.:)双双I器发射滤波器器定定定定向向向向向向向向向向向向天天双双卜器接收滤波器器袱袱线线了了了卜卜端端仁仁仁111日日器器器器器器震震震震震震震瞥瞥乙乙乙乙乙乙乙NNNNNAAAAA功功分推推图]EGSMgOOM卜12纂站天线模块原理框图其止,在有两路(。,和。2)人功率射频信号(如在EGSM925一960MHz范围内的发射信号)通过非线性合路器、双_l_器、相关电缆和连接器时,会产生互调失真(信号)和新的频率信号。其中幅度最大的三阶互调信号(2.1一。:)、(2。:一。,)和五阶互调信号(302一201)、(301一202),会落入880一gl5MHz的接收频率范围内。例如,图1中的FI二930MHz不[1FZ=950MHz两个频点的大I)J率信号同时进入合路器,并经双_[器和大线发射出去,在传输过程中会生成(2。一。:)的二阶互调信号,其频率为gl0MHz;同时生成(3。广202)的五阶互调信号,其频率为890MHz。这两个新频率信号都要进入双__L器中925一960MHz的接收滤波器,并且在LNA得到放大,与从用户传来的信号棍在一起。实际上,这些二阶互调和五阶互调信号就是噪音,当这些噪音的幅度人到一定的程度,就会使移动基站与用户(例如手机用户)联系的信号接收和识别受到影响,引起通信质量下降。如果二阶互调和五阶互调信号的幅度过大,以致淹没掉接收到Mareh2007Vol.38No.l(serialNo.126)航空电子技术AVIONICSTECI侧OLOGY的、来白用户的微弱信号,就不能进行通信。为了深入认识互调失真的影响,有必要先在理论上来分析二阶互调和五阶互调失真的成因;然后介绍我们研制的天线测试系统对互调失真的控制,以及为满足相关标准要求而采取的措施和方法。2存在的三阶和五阶互调失真当把天线模块中的合路器、双工器中的滤波器、连接电缆和连接器都视为四端网络,和假定它们是线性网络时,那么它们的输入信号(用Vin表示)和输出信号(用Vout表示)可以表示为下面的线性关系从〕ut=AVin(l)式中,A表示输入和输出变化(如幅度变化)的系数。当把它们视为非线性四端网络时,输入输出的关系就变得复杂,可由下式来表示Vout=A一Vin+AZVinZ+A3Vin3+…(2)式中,A.、AZ和A3是描述幅度变化的系数。当该四端网络的输入只有一个单频信号,如在Vin=cosot的条件下,则在四端网络的输出中,会有cosZOt,cos3ot…的新频率信号的产生。因为VinZ项中有eosZot项,即eosZ0t=l/2(l一eosZot)(3)式中的cosZot项就是eosot的2倍频信号。同样,Vin3项中有eos,。怜l/4(3eosot+eos3Ot)(4)式中的eos3ot就是eosot的二倍频信号。从式(2)中得知,还有四倍频、五倍频的信号。大功率单频信号在非线性四端网络中产生的新频率会对图l中的天线模块产生影响,在本文中不作深入讨论。但是,当同时有两路不同频率的大功率信号加载到上述非线性四端网络上时,即Vin=a一eos。一t+灸eos0Zt(5)情况会变得十分复杂。把式(5)代入式(2),‘这时的A3Vin,项可以表示为A3Vin,=A3(a.eos。:t+aZeos。:t),=一/4A。[a,’(3eoso.t+eos,。It)+屯,(3eos。:t+eos,。:t)]+3/2A3[a、a22eos。、t+a、Za:eos。:t]+3/4A3a:为2[eos(。1+2。:)t+eos(2。:一。:)t]+3/4A3a:2灸[cos(2。!+。:)t+eos(2。!一。:)t](6)其中,我们最为关心的V止阶互调=3/4A3a,2屯eos(2。:一。:)t+3/4A3a.a22eos(202一。.)t(7)称作三阶互调。分析式(7),可知(l)如果al二a2,则频率(2。,一。2)和(202-。:)的幅值相等。(2)如果a.为,则(2。,一。:)的幅值大于(2曰2一。:),反之亦然;(3)如果。,的频率移动,。:的频率保持不变,则(2。1一。:)的频移人于(2。:一。:)的频移:(4)如果。l。2,则(2。:一。2)的互调失真邻近。,,(202一。,)的互调分量邻近。2。用相同的方法,也可以分析五阶等互调的某些特点。相对而言,三阶和五阶互调失真的幅度比其他阶,如七阶、九阶的互调失真的大很多,故在EGSM90OMHz的相关标准中,仅列出对三阶和五阶互调失真的要求。3EGSM900MHz基站对三阶和五阶互调失真的要求从以上分析可知,在移动通信基站天线模块中的接收通道内,存在有二阶和五阶互调失真(即噪音信号)。要实现移动通信基站与用户之间高质量的通信,必须要把这种失真控制到允许的电平。为此,在相应的EGSMgooMHz天线模块的技术文件中有详细的规定。(1)在图1所示的大线模块中,规定传送到合路器输入端口的Fl和F2这两个频点信号的功率为47.sdBm(56W)时,大线模块中的天线端口处测得880一gl5MHz接收频段内的二阶互调失真的电平要低于一105dBmO要测量上述互调失真存在两方面的困难。其EGSM90OMHz移动通信基站天线模块中互调失真的测量与控制一,如果严格按照上述要求,在天线模块中的天线端口来实施这个测量,则要在图1所示的天线端口上接入一个能承受56W的功率、三阶和五阶互调失真电平很低(例如三阶互调失真低于一160dB。)的定向祸合器和负载。但是,在intemet网上目前还没有查到能满足这样要求的定向祸合器。其二,假定有这样的一个一ZOdB的定向祸合器,那么,祸合出来加到频谱分析仪上的Fl和FZ