時分復(fù)用射頻前端高功率微波波形響應(yīng)分析研究
時分復(fù)用射頻前端高功率微波波形響應(yīng)分析研究
為研究系統(tǒng)級射頻設(shè)備高功率微波前門效應(yīng)，采用注入法對某 4G 基站的濾波器、環(huán)形器、低噪放及功放構(gòu)成的射頻前端進(jìn)行實驗研究。結(jié)果表明，高功率微波脈沖上升沿和下降沿被射頻前端濾波器強烈反射，脈沖平頂段反射很小。反射波形在上升沿及下降沿呈尖峰、在脈沖中部呈平底，顯示高功率微波陡峭的上升沿和下降沿包含的豐富的濾波器帶外頻率成分被反射，導(dǎo)致順利獲得濾波器的脈沖頭尾被削弱。經(jīng)濾波器后，高功率微波脈沖可由環(huán)行器進(jìn)入上行通道低噪放，進(jìn)而被反射，環(huán)行進(jìn)入下行通道功率放大器，被再次反射，再環(huán)行從注入口輸出。實驗中監(jiān)測到了經(jīng)兩次反射環(huán)行的高功率微波脈沖。說明在高功率脈沖條件下，原本由環(huán)形器隔離的下行通道功率放大器同樣會承受上行通道進(jìn)入的高功率微波脈沖損傷的風(fēng)險。
高功率微波對電子設(shè)備的毀傷效應(yīng)分為前門效應(yīng)和后門效應(yīng)，后門效應(yīng)耦合通道與效應(yīng)物屏蔽特性、孔縫特性等有關(guān)，而前門效應(yīng)耦合通道與設(shè)備射頻通道的射頻特性基本一致。因此，在前門效應(yīng)中，毀傷效果除了與效應(yīng)物敏感元器件損傷閾值有關(guān)外，還與射頻通道相關(guān)。在高功率微波效應(yīng)研究中，對純接收設(shè)備如全球定位系統(tǒng)（GPS）接收天線或收發(fā)設(shè)備中的接收鏈路效應(yīng)研究較多，且一般順利獲得隔離出射頻前端低噪聲放大器進(jìn)行分立器件的效應(yīng)閾值和規(guī)律的研究，而射頻通道對高功率微波效應(yīng)的影響僅作為衰減項考慮。但在時分復(fù)用射頻前端中，為了保證工作頻率不被其他頻率干擾，常采用濾波器進(jìn)行帶寬限制，在射頻通道上采用環(huán)行器、電子開關(guān)等雙工器件進(jìn)行上下行隔離并實現(xiàn)天線收發(fā)共用。這些射頻前端器件在高功率微波脈沖作用下是否會呈現(xiàn)出與常規(guī)微波作用下不同的特性，這些射頻前端器件對高功率微波脈沖是否有除衰減以外的效果，前人研究較少?；诖?，本文召開了一射頻通信基站的時分復(fù)用射頻前端高功率微波脈沖波形響應(yīng)研究，證實了濾波器和環(huán)形器除對高功率微波脈沖有衰減作用外，還會對其波形有特別的影響，揭示出在召開射頻前端高功率微波效應(yīng)研究時，不僅要關(guān)注低噪聲放大器、功率放大器的高功率微波效應(yīng)，還應(yīng)充分考慮射頻前端無源器件對高功率微波脈沖的影響。
1. 環(huán)行器型時分復(fù)用射頻前端結(jié)構(gòu)
時分復(fù)用是指設(shè)備上下行載波頻率一致，順利獲得時間上交替完成基站和用戶之間的通信。時分復(fù)用可節(jié)省頻帶資源、簡化濾波器及天線設(shè)計，在第四代（4G）移動通信中得到了廣泛應(yīng)用。按照隔離度要求的不同，常用的時分雙工有環(huán)行器、微波開關(guān)等。本文對采用環(huán)行器、共用天線和濾波器的時分復(fù)用長期演進(jìn)體制（TD-LTE）基站射頻前端召開高功率微波脈沖響應(yīng)特性研究。圖 1 為該基站射頻前端內(nèi)部模塊的照片。可以看出，該前端由一個腔體濾波器（黑色）和兩個射頻處理模塊（銀色）組成。濾波器在射頻前端內(nèi)、外側(cè)各有兩個端口。外側(cè)兩個為天線空口，分別接±45°極化的天線，保證基站覆蓋范圍內(nèi)任何極化方向用戶信號都能被接收；內(nèi)側(cè)兩個端口順利獲得兩根藍(lán)色半鋼同軸電纜連接至兩個射頻信號處理模塊。每個射頻信號處理模塊順利獲得兩根黑色同軸電纜與基站基帶處理單元（BBU）相連。
圖1 時分復(fù)用射頻前端模塊照片
下行鏈路由 BBU 開始，攜帶信息的射頻信號由黑色電纜發(fā)送端口（TX）進(jìn)入射頻模塊進(jìn)行功率放大，經(jīng)藍(lán)色半鋼電纜、濾波器、天線，向基站周圍空間輻射。上行鏈路由用戶終端（UE）產(chǎn)生的信號開始，經(jīng)天線、濾波器、藍(lán)色半鋼電纜進(jìn)入射頻模塊，由模塊中低噪聲放大器放大，經(jīng)接收端口（RX）、黑色同軸電纜輸出至 BBU。上下行鏈路信號頻帶相同，時間上交替進(jìn)行，從而實現(xiàn)基站與用戶終端（UE）之間的通信。
圖 2 給出了與上下行信號有關(guān)的射頻模塊主要射頻元器件組成示意圖，可以看出該前端共用天線和濾波器。在環(huán)行器處，上行信號由環(huán)行器 1 端口進(jìn)入，順利獲得端口2 進(jìn)入低噪放（LNA） ；下行信號由環(huán)行器 3 端口進(jìn)入，經(jīng)1 端口輸出至濾波器，進(jìn)而由天線輻射出去。
圖2 射頻前端模塊元器件組成示意圖
2. 環(huán)行器型時分復(fù)用前端高功率微波脈沖響應(yīng)
環(huán)行器型時分復(fù)用前端高功率微波脈沖響應(yīng)采用注入實驗方法研究。實驗系統(tǒng)如圖 3 所示。其中，大功率功放輸出微波脈沖經(jīng)環(huán)行器 1、定耦 1、環(huán)行器 2、定耦 2 進(jìn)入基站射頻前端其中一個天線端口?；镜妮敵鲰樌@得定耦 2、環(huán)行器 2、衰減器、天線輻射到外部空間。順利獲得定耦 1 前向耦合支路監(jiān)測大功率發(fā)射源的發(fā)射波形，順利獲得定耦2 反向耦合支路監(jiān)測基站輸出波形以及可能的注入脈沖反射波形。
圖3 基站射頻前端注入實驗示意圖
2.1 射頻前端下行波形及頻帶
第一時間測試基站射頻前端下行波形?；绢A(yù)熱開機，用示波器監(jiān)測其下行信號波形，如圖 4 所示。從中可以看出，基站下行宏脈沖周期約 5 ms，宏脈沖串寬度約 2.5 ms。在宏脈沖串內(nèi)有微脈沖，微脈沖的周期信息不明顯。捕捉其中一個微脈沖的波形及其頻譜如圖 5 所示，可見該微脈沖脈寬約 70 μs，頻帶寬度為 1.785～1.790 GHz。
圖4 基站下行信號波形
圖5 基站下行信號波形及其頻譜
監(jiān)測了不同時刻基站下行信號波形和頻譜，在不同時間及不同情況下，頻帶在一定范圍內(nèi)變化，由設(shè)備說明書可知，其完整工作頻帶為 1785～1805 MHz。選擇該基站工作帶寬內(nèi)頻點 1800 MHz，依圖 3 所示實驗系統(tǒng)召開注入實驗。注入脈沖脈寬 50 ns，單脈沖方式，注入功率最高為 200 W。
2.2 高功率微波脈沖帶內(nèi)注入脈沖響應(yīng)波形
注入功率從 10 mW 開始，按照 3 dB 遞增，采用示波器檢測注入和反射波形。在實驗中 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 發(fā)現(xiàn)無論功率水平如何，反射波形形狀總是與注入波形明顯不同。以注入功率200 mW 的波形為例，如圖 6 所示，入射波為方波脈沖，反射波呈現(xiàn)出脈沖前后沿尖峰、脈沖中部幅值低的情形，且有振蕩波從脈沖前沿開始不斷持續(xù)一段時間后才消失。隨著注入功率不斷增大，波形細(xì)節(jié)有所不同，但總體特征基本不變，注入功率 20 W 時的波形如圖 7 所示。其中 CH1 是定耦 1 上耦合出的注入脈沖波形，CH2 有兩個尖峰的脈沖為定耦 2 上監(jiān)測到的反射波形。從圖 7 中可看到，幅度調(diào)制型振蕩波的幅值也隨注入功率增加而增大。從圖 6 和圖 7 中可以看出，該基站射頻前端的注入反射波形特點比較明顯，即脈沖上升和下降時反射波呈尖峰狀，反射較大；在脈沖中部，呈平底狀，反射較小；存在一個振蕩波。
圖 6 注入脈沖功率 200 mW 時注入與反射脈沖波形
圖 7 注入脈沖功率 20 W 時注入波形與反射波形
為了確認(rèn)圖 6、圖 7 中反射波形確實為注入脈沖的反射波而不是基站的下行信號波形，采用重頻脈沖注入，且調(diào)節(jié)重復(fù)頻率使某個注入脈沖正處于基站射頻前端下行信號某個微脈沖內(nèi)。順利獲得這種方法捕捉到反射脈沖位于基站下行微脈沖內(nèi)的情形，如圖 8 所示。從圖中可見，在注入脈沖存在時段及之后，基站下行脈沖內(nèi)可見一個具有 4 個峰的脈沖（后兩個峰為前述振蕩波振幅），疊加在基站正常下行輸出脈沖上。該圖可證明前述波形確實為注入脈沖經(jīng)射頻前端反射后的反射波形。
圖8 位于下行微脈沖內(nèi)的反射脈沖波形
3. 反射波形成因分析
如圖6和圖7中所示，反射波形與低噪聲放大器注入效應(yīng)研究中出現(xiàn)的反射波形明顯不同，為定位前述波形產(chǎn)生的器件位置及形成原因，分別召開了該射頻前端濾波器帶外和帶內(nèi)注入實驗、濾波器單獨注入實驗以及射頻收發(fā)模塊的注入實驗。研究分析認(rèn)為，射頻前端濾波器是反射波形形狀的成因，而環(huán)行器的存在及其連接的低噪放、功放對注入脈沖的反射是從下行端口能夠監(jiān)測到發(fā)射波形的原因。
3.1 射頻前端濾波器是反射波形狀的成因
召開了帶內(nèi)和帶外注入實驗研究，研究表明，帶外注入時反射波形與注入波形基本一致，而帶內(nèi)注入時反射波形與注入波形明顯不同。濾波器帶寬為基站的工作頻帶，為 1 785～1 805 MHz。圖 9 給出了在不同注入頻率（1 750 MHz、1770 MHz、1 790 MHz、1800 MHz）、相同注入功率下的反射波形對比。從圖 9 中（a）、（b）可以看出，注入脈沖頻率離濾波器工作帶寬邊緣越遠(yuǎn)，反射越大，波形也越接近于入射脈沖的方波波形。結(jié)合濾波器帶外特性，這種反射可以確定是由濾波器帶外反射造成。這種情況下注入脈沖并未進(jìn)入到基站射頻模塊內(nèi)。當(dāng)注入脈沖頻率逐漸接近濾波器帶寬邊緣甚至進(jìn)入濾波器工作帶寬內(nèi)后，其反射波形逐漸過渡到與前述帶內(nèi)反射波形類似，如圖 9 中（c）、（d）所示。
圖9 同等注入功率不同頻率下的反射波形
將濾波器從基站上拆下，單獨對濾波器進(jìn)行帶內(nèi)注入實驗研究。濾波器后端口分別接匹配負(fù)載和保持開路時的注入、反射波形如圖 10 所示?？梢钥闯?，出現(xiàn)了與前述波形基本一致的前后沿尖峰狀的反射脈沖以及振蕩波，因此可推知前述波形的形成是濾波器造成的。
圖10 單獨濾波器對注入脈沖的反射波
濾波器是線性時不變（LTI）系統(tǒng)，對 LTI 系統(tǒng)，其時域波形的變化均來自于不同頻率成分經(jīng)過 LTI 系統(tǒng)后產(chǎn)生的變化疊加。當(dāng)一個 LTI 系統(tǒng)輸入一個正弦信號時，輸出信號頻率不會發(fā)生不變，改變的只是幅值和相位。因此，若是帶內(nèi)陸續(xù)在波順利獲得濾波器，其波形順利獲得濾波器后不會發(fā)生變化。但是本文中脈沖雖然載頻是特定單頻，但脈沖寬度僅為 50 ns，其上升和下降沿部分的頻率成分非常豐富，超過濾波器帶寬的頻率成分占比大，因此在上升和下降沿部分被濾波器反射得更強烈，故反射脈沖在上升和下降沿部分可見明顯尖峰。在脈沖平頂段，載頻成分占比較大，因此被濾波器反射較小，故反射波形在平頂段幅值較低。
關(guān)于持續(xù)時間更長的振蕩波，文獻(xiàn)對比研究了射頻濾波器對超寬帶脈沖和低功率陸續(xù)在波時域響應(yīng)波形的異同，認(rèn)為濾波器的高 Q 值和儲能特性會使超寬帶脈沖的時域響應(yīng)波形出現(xiàn)脈沖振蕩特征，造成響應(yīng)波形脈沖遠(yuǎn)比原脈沖波形持續(xù)時間長的現(xiàn)象。本文中出現(xiàn)的注入脈沖反射波中的振蕩波，其時域特征上也是比注入脈沖長且呈振蕩特性，因此可以認(rèn)為是濾波器的高 Q 值和儲能特性造成了注入短脈沖的展寬。
3.2 射頻前端環(huán)行器是反射波形能夠被監(jiān)測的原因
將濾波器去掉，單獨對射頻模塊進(jìn)行注入，波形如圖 11 所示。從圖中可以看出，不經(jīng)濾波器的注入脈沖被射頻模塊反射，波形前后沿略有畸變，但并未出現(xiàn)上升沿和下降沿尖峰而脈沖中部平底的現(xiàn)象。但該實驗證實從共用端口注入脈沖后，可以從該口測到反射波。說明在此射頻前端中，注入脈沖被環(huán)行器聯(lián)系的低噪放、功放依次反射，最后由注入口反射輸出。
圖11 無濾波器的射頻前端注入反射波形
順利獲得對無濾波器的射頻前端模塊注入實驗，結(jié)合圖 2 可以看出，注入脈沖可由環(huán)行器 1 口經(jīng) 2 口進(jìn)入低噪放，被低噪放反射，經(jīng)環(huán)行器 2 口到達(dá) 3 口功放輸出端并被再次反射，再由環(huán)行器 3 口到 1 口，從最初注入口輸出。這個現(xiàn)象展示了超過基站射頻前端上行通道正常功率水平的注入脈沖會因環(huán)行器的環(huán)向傳輸特性將低噪放和功放聯(lián)系起來，且低噪放和功放均對注入脈沖產(chǎn)生了反射。通信基站低噪放允許的陸續(xù)在波輸入功率一般在 10 dBm 以下，而高功率微波順利獲得前門耦合進(jìn)入射頻前端的功率往往可達(dá) 30～50 dBm，甚至更高。在這樣的功率水平下，低噪放無法吸收全部來波，故將大部分來波反射。在功放的輸出端，從實驗中可以看到從低噪放反射過來的波被再次反射，但其導(dǎo)致反射的機理尚待進(jìn)一步研究。
3.3 結(jié)果討論
根據(jù)上述分析可知，高功率微波脈寬短，上升下降快，上升沿和下降沿部分豐富的帶外頻率成分會被濾波器反射，從而形成脈沖上升沿和下降沿尖峰、脈沖中部平底的反射波形。這個現(xiàn)象也說明實際進(jìn)入基站上行通道的高功率微波脈沖上升和下降沿部分會被濾波器削弱。實驗也發(fā)現(xiàn)，不經(jīng)濾波器進(jìn)入射頻模塊的脈沖，會因低噪放和功放的接續(xù)反射以及環(huán)行器的單向傳輸特性，從注入口再次輸出，從而為共用天線端口、環(huán)行器型射頻前端的高功率微波前門效應(yīng)研究給予了監(jiān)測基礎(chǔ)。同時，環(huán)形器的存在以及低噪放對超過正常功率水平脈沖的反射，使下行通道的功放也面臨被注入脈沖損傷的風(fēng)險。
4. 結(jié) 論
順利獲得對采用環(huán)行器的時分復(fù)用基站召開整體注入實驗、濾波器單獨注入實驗以及不帶濾波器的射頻模塊注入實驗，本文得到了時分復(fù)用射頻前端高功率微波脈沖波形響應(yīng)的結(jié)論：
（1）即使濾波器帶內(nèi)高功率微波脈沖注入射頻前端，其脈沖上升沿和下降沿也會被濾波器強烈反射，出現(xiàn)首尾尖峰、中部平底的反射脈沖形式，造成高功率微波脈沖上升下降沿波形的劇變部分被削弱、進(jìn)入前端敏感器件脈沖能量減少的現(xiàn)象；
（2）經(jīng)濾波器后，注入脈沖可由環(huán)行器進(jìn)入上行鏈路低噪放，在低噪放、功放的反射及環(huán)行器共同作用下，反射波形可在下行鏈路注入口被監(jiān)測到。這種現(xiàn)象一方面使環(huán)行器型時分復(fù)用射頻前端高功率微波效應(yīng)研究復(fù)雜性增加、下行通道功放面臨被注入脈沖損傷的風(fēng)險，另一方面也揭示了高功率微波脈沖進(jìn)入射頻前端的表現(xiàn)與正常信號進(jìn)入射頻前端的表現(xiàn)不同，豐富了高功率微波效應(yīng)研究內(nèi)容。盡管如此，限于知識和能力水平，本文對濾波器反射波形的解釋還比較定性，缺乏量化分析或仿真呈現(xiàn)；對環(huán)行器下行通道的功放在何種情況會出現(xiàn)損傷，現(xiàn)在尚未召開研究。今后將對上述兩方面問題繼續(xù)召開研究。
來源：強激光與粒子束
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