多模數(shù)據(jù)卡中抑制二次諧波的設(shè)計(jì)

張 新, 解江博

(西安郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院， 陜西 西安 710121)

多模數(shù)據(jù)卡中抑制二次諧波的設(shè)計(jì)

張 新, 解江博

(西安郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院， 陜西 西安 710121)

針對(duì)多模數(shù)據(jù)卡終端WCDMA2100頻段射頻發(fā)射通路易出現(xiàn)二次諧波泄漏，引起通信質(zhì)量下降的問題，通過在功率放大器輸出端搭建一個(gè)具有低通濾波功能的T型LC匹配網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)二次諧波的抑制。在ADS2008軟件下仿真S參數(shù)并對(duì)匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化，使得二倍頻處的諧波分量在-44 dB以下，同時(shí)主頻帶內(nèi)的信號(hào)未被削弱。經(jīng)過仿真和實(shí)測(cè)分析表明，此設(shè)計(jì)方法對(duì)二次諧波有良好的抑制作用，可用于解決諧波泄漏問題。

多模數(shù)據(jù)卡；T型LC匹配網(wǎng)絡(luò)；二次諧波

在射頻發(fā)射鏈路中，由于諧波泄漏造成的電磁干擾會(huì)導(dǎo)致通信鏈路質(zhì)量的下降[1]。嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成傳送的信息丟失，使得射頻鏈路不能正常工作[2]。因此在電路中使用相應(yīng)的濾波器是一種簡(jiǎn)捷快速濾除二次諧波的方法[3]。在實(shí)際的數(shù)據(jù)卡射頻發(fā)射通路中對(duì)諧波的處理是選擇一種隔離度好的雙工器來對(duì)整個(gè)發(fā)射通路進(jìn)行諧波信號(hào)隔離，以提取有用的信號(hào)[4]，但這種方法并沒有從射頻鏈路的每部分器件所產(chǎn)生的效果進(jìn)行分析，因此沒有形成一個(gè)通用方法來解決諧波的影響。

本文擬借助ADS2008仿真軟件，在多模數(shù)據(jù)卡WCDMA2100頻段的功率放大器(Power Amplifier, PA)輸出端，設(shè)計(jì)一個(gè)具有低通濾波功能的T型LC匹配網(wǎng)絡(luò)，來抑制二次諧波的泄漏,進(jìn)而抑制整個(gè)發(fā)射通路的諧波分量，改善射頻鏈路的通信質(zhì)量。

1 抑制諧波的電路設(shè)計(jì)

1.1 諧波的產(chǎn)生

在射頻通信系統(tǒng)中，由于非線性器件如放大器在對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大的過程產(chǎn)生諧波分量，在發(fā)射的過程中由于濾波器或雙工器對(duì)諧波的抑制過小使得諧波泄漏到其他的信道中對(duì)電路產(chǎn)生干擾。本文中的多模數(shù)據(jù)卡在WCDMA2100頻段下工作時(shí)，由于雙工器對(duì)諧波的隔離度過小而使得諧波泄露，考慮到在射頻鏈路中更換一款隔離度較高的器件會(huì)對(duì)射頻電路中其他的信令指標(biāo)產(chǎn)生影響。因此根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，本文在功率放大器輸出端設(shè)計(jì)一種具有低通濾波功能的T型LC匹配網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)二次諧波的抑制。

1.2 濾波器的設(shè)計(jì)

根據(jù)圖1中WCDMA2100頻段的PA到天線測(cè)試口的方框圖可得知二次諧波的抑制度是PA和雙工器在二次諧波處的抑制度之和[2]。鑒于文中PA的輸出匹配網(wǎng)絡(luò)是T型網(wǎng)絡(luò)，因此在設(shè)計(jì)的低通濾波器也是基于T型匹配網(wǎng)絡(luò)而設(shè)計(jì)的。由圖1的發(fā)射通路方框圖和3GPP對(duì)射頻信令指標(biāo)的要求[5]，設(shè)計(jì)的低通濾波器如圖2所示。

圖1 WCDMA2100射頻發(fā)射鏈路

圖2 低通濾波器的仿真設(shè)計(jì)模型

在圖2的T型LC匹配網(wǎng)絡(luò)的低通濾波器中，串聯(lián)電感在直流電路中相當(dāng)于短路的，且其阻性電抗隨著頻率增加而增加，因此頻率增加時(shí)它會(huì)進(jìn)一步抑制射頻電路中功率放大器輸出端的能量流通。即當(dāng)頻率增加到中心頻率的二倍頻3.9 GHz時(shí)低通濾波器對(duì)放大器輸出的能量流通至其他頻段是有抑制的作用。

1.3 仿真分析

通過ADS2008仿真軟件對(duì)其設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行仿真結(jié)果如圖3所示。

由圖3可見，主頻帶內(nèi)中心頻率(W2100MHz發(fā)射頻段的中心頻率為1950 MHz)處的回波損耗即S(1,1)參數(shù)為-27.766 dB，即此低通濾波器對(duì)于主頻帶內(nèi)的功率能量基本上完全通過。在中心頻率的二倍頻處的插入損耗即S(2,1)參數(shù)為-14.632 dB，即中心頻率的二倍頻處的諧波分量可被有效的抑制。

圖3 設(shè)計(jì)電路仿真結(jié)果

兩個(gè)S參數(shù)疊加的仿真結(jié)果如圖4所示，從中可見，能量在主頻帶1.95 GHz是可以完全通過，在二倍頻處對(duì)能量有抑制作用的。由于文中的低通濾波器是基于PA的輸出匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的，該匹配網(wǎng)絡(luò)可能會(huì)影響到相鄰信道功率泄漏比(Adjacent Channel Leakage Ratio, ACLR)和工作電流的大小，因此通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀調(diào)試設(shè)計(jì)的T型匹配網(wǎng)絡(luò)參數(shù)來解決ACLR和電流的大小。同時(shí)調(diào)試的過程也初步驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的匹配網(wǎng)絡(luò)是否滿足要求。

圖4 S(1,1)和S(2，1)疊加的仿真結(jié)果

2 測(cè)試分析

2.1 測(cè)試模型

傳導(dǎo)雜散(Conducted Spurious Emission, CSE)是電磁兼容[6]中不可或缺的測(cè)試項(xiàng)。它也是反映二次諧波是否正常的指標(biāo)。CSE測(cè)試是在100 kHz ～ 12.75 GHz頻率范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)試，雜散發(fā)射在50 Ω負(fù)載上的離散騷擾信號(hào)，對(duì)低于限值6 dB的雜散發(fā)射忽略不計(jì)。測(cè)量接收機(jī)采用峰值檢波，并設(shè)置為峰值保持。它的限值有兩種模式：空閑模式和工作模式。測(cè)試方法如圖5所示。

圖5 傳導(dǎo)雜散騷擾測(cè)試方法

在圖5中，系統(tǒng)模擬器相當(dāng)于被測(cè)試的設(shè)備即多模數(shù)據(jù)卡，移動(dòng)臺(tái)即測(cè)試中所用到的儀表。在這里儀表可以選擇CMU200儀表或者安捷倫8960儀表。測(cè)試過程中對(duì)于每部分連接的線纜的線損要加在測(cè)試過程中。具體線損的添加根據(jù)選擇的線纜的粗細(xì)長(zhǎng)度而定。

2.2 測(cè)試步驟

通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)設(shè)計(jì)的T型網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行驗(yàn)證分析，此處對(duì)在矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀上新建Smith圓圖工程以及端口校準(zhǔn)，同軸開口線校準(zhǔn)不做冗余說明[7]。用風(fēng)槍吹掉WCDMA2100頻段的PA，在PA輸出管腳焊上已校準(zhǔn)過的同軸開口線，矢網(wǎng)的端口1連接同軸開口電纜，端口2通過射頻線連接終端的射頻測(cè)試座。打開天線開關(guān)，可以在矢網(wǎng)上看到輸入阻抗的收斂和位置，如圖6所示。

由圖6可見，所設(shè)計(jì)的T型匹配網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過調(diào)試后，輸入阻抗收斂曲線在50 Ω左上側(cè)附近已達(dá)到WCDMA2100頻段的最優(yōu)匹配。這種最優(yōu)匹配滿足最大功率傳輸原理[8]。

圖6 由PA后輸出匹配網(wǎng)絡(luò)看到的輸入阻抗

2.3 測(cè)試結(jié)果

由對(duì)設(shè)計(jì)電路的仿真結(jié)果可知主頻帶內(nèi)3個(gè)信道的損耗比較平坦，因理論上二次諧波的抑制在-14 dB左右，故設(shè)計(jì)達(dá)到預(yù)期目的。由于仿真設(shè)計(jì)用到的電容電感的模型都是理想的，PA的Loadpull位置[9]也是需要依據(jù)具體的布局布線進(jìn)行實(shí)際的優(yōu)化，因此理論設(shè)計(jì)和實(shí)際終端的性能會(huì)有一定的差異，只有通過實(shí)際終端工作時(shí)的射頻指標(biāo)測(cè)試，來驗(yàn)證設(shè)計(jì)的低通濾波器是否滿足要求。將設(shè)計(jì)仿真得到的低通濾波器放置在PA后的輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的位置上，焊上PA，把終端進(jìn)行校準(zhǔn)之后，在綜測(cè)儀上測(cè)試得到的關(guān)鍵射頻指標(biāo)結(jié)果如表1所示。

表1 實(shí)際終端工作時(shí)的關(guān)鍵射頻指標(biāo)測(cè)試結(jié)果

由表格1可以看到測(cè)試出來的功率符合3GPP的規(guī)范要求[5]，同時(shí)在功率正常的前提下臨近信道泄漏功率比和最大電流也是滿足測(cè)試要求的，因此所設(shè)計(jì)的T型低通濾波器在矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀50 Ω右側(cè)是最優(yōu)位置。

在PA后換上設(shè)計(jì)的T型匹配，之前和之后測(cè)試的二次諧波結(jié)果分別如圖7和圖8所示。圖中標(biāo)記的1和2分別為主頻帶和二次諧波處的頻譜圖。左下角顯示了在3.9 GHz時(shí)二次諧波的抑制度。

圖7 采用設(shè)計(jì)的低通濾波器之前的二次諧波測(cè)試結(jié)果

圖8 采用設(shè)計(jì)的低通濾波器之后的二次諧波測(cè)試結(jié)果

由測(cè)試二次諧波的結(jié)果可以清晰的看到本文設(shè)計(jì)的低通濾波器將二次諧波由-32.665 dBm 降低到-44.113 dBm，和測(cè)試要求相比，已有11.448 dB的余量，很好地解決了二次諧波臨界的問題。當(dāng)然測(cè)試中由于線纜帶來的線損和一些測(cè)試環(huán)境的限制使得測(cè)試跟設(shè)計(jì)仿真的結(jié)果有一定的差異。此差異在設(shè)計(jì)允許的范圍之內(nèi)。同時(shí)經(jīng)過驗(yàn)證，電流和其他射頻指標(biāo)也沒有惡化，可以很好地滿足要求。因此所設(shè)計(jì)的低通濾波器可實(shí)現(xiàn)二次諧波的抑制。

3 結(jié) 語

采用ADS2008仿真軟件在多模數(shù)據(jù)卡WCDMA2100頻段的功率放大器輸出端設(shè)計(jì)了一個(gè)具有低通濾波功能的T型匹配網(wǎng)路，由此可解決該頻段中由于雙工器抑制度過小而引起的二次諧波的臨界。通過實(shí)測(cè)后得知該設(shè)計(jì)的T型匹配網(wǎng)絡(luò)對(duì)二次諧波具有良好的抑制作用。

[1] 文光俊,謝甫珍,李建編.無線通信射頻電路技術(shù)與設(shè)計(jì)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2010:7-10.

[2] 陳邦媛.射頻通信電路[M].北京:科學(xué)出版社,2006:4-8;12-14.

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[5] Anon. GB/T 7714-2005. 3GPP TS 34.121[S/OL].(2005-03-30)[2013-06-10].http://www.docin.com/p-160850196.html.

[6] 陳偉華.電磁兼容實(shí)用手冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1998:2-7.

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[責(zé)任編輯:王輝]

Design of restraining the second harmonic in multi-mode data card

ZHANG Xin, XIE Jiangbo

(School of Electronic Engineering, Xi’an University of Posts and Telecommunications, Xi’an 710121, China)

The second harmonic leakage of WCDMA2100 band radio frequency transmitting passageway in the multi-mode data card terminal usually lead to a drop in the quality of communication. A low-pass filtering function of T-type and LC-matching network connected to the power amplifier output terminal is designed in this paper in order to restrain the second harmonic. Simulation of the S parameter and optimization of the matching network are carried out by the ADS2008 software so that the harmonic component of double frequency signal is under -44 dB while the signal in the middle frequency band is not weakened. Simulation results and real measurements show that this design is very useful for restraining double frequency signal and can solve the problem of second harmonic leakage.

multi-mode data card, T-type and LC-matching network, the second harmonic

10.13682/j.issn.2095-6533.2014.01.014

2013-06-15

西安市科技局工業(yè)技術(shù)應(yīng)用研發(fā)基金資助項(xiàng)目(CXY1117)

張新(1968-)，女，教授，從事網(wǎng)絡(luò)計(jì)算與網(wǎng)絡(luò)管理研究。E-mail:zhx@xupt.edu.cn 解江博(1987-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娮优c通信工程。E-mail:RIKAMIMO@126.com

TN925+.1

A

2095-6533(2014)01-0066-04