基于合路器功率容量測試系統設計及應用

奧維通信股份有限公司 張大偉

沈陽出入境檢驗檢疫局 馬 進 李 靚

基于合路器功率容量測試系統設計及應用

奧維通信股份有限公司 張大偉

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一、技術領域

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

二、背景技術

目前，移動通信系統所承載的數據越來越多，因此對器件的功率要求也越來越高，特別隨著4G技術的發展，當器件由于功率容量不足而產生飛弧、器件燒毀、器件指標惡化，這些都會降低移動通信系統的可靠性及安全性，特別是合路器，合路器自身要完成多個系統的合路，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也是對現有網絡性能影響最大的參數；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設計過程中需要注意的問題以及改進方案，同時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果。

三、系統組成及原理

工作原理：信號發生器1和信號發生器2分別發射兩個載波的調制信號，進入功率放大器進行功率放大，經過濾波器進行信號帶外信號的濾除，再通過3dB電橋將4個調制后的載波進行合路，以測試200W為例，則每個載波為50W；3dB電橋再將合路后的信號輸出給雙定向耦合器，此時正向耦合口和反向耦合口的功率會被功率計1和功率計2進行采集，計算機通過GPIB接口讀取正向功率和反向功率，駐波比的計算過程為：

設定駐波為VSWR, ξ為反射系數，RL為回波損耗，正向功率為W1，反射功率為W2，根據駐波比的公式：

駐波比VSWR=（1+ξ）/（1+ξ）

其中RL=10Lg（W1/W2）,RL=-20lgξ，因此計算機在讀取到正向功率和反射功率后就可以計算出被測產品的駐波比的變化；雙定向耦合器的輸出口連接至雙工器的發射口（TX），雙工器的RX端口會將因為器件功率容量不良而產生飛弧會通過雙工器的反射口（RX）輸入至頻譜分析儀，頻譜分析儀會在要求的工作頻段內對輸入的信號進行峰值檢波；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負載，被測器件的輸出端口連接低互調衰減器的輸入口，經過衰減器后衰減器的輸出口連接功率計3，計算機監控功率計3的信號功率變化。

四、系統設計優化

整個功率容量測試系統由信號發射控制系統、信號放大系統、信號分離系統、散熱系統、負載等幾部分組成；本文針對這些基礎組成部分進行逐個討論設計要求及應用建議：發射信號控制系統由控制軟件及信號發生器構成，其中軟件為自行開發，這個目前采用visual basic語言、C#等面向對象的程序均可編輯相應的程序，這個根據自身測試需求進行定制開發即可，軟件要求測試系統的開關、功率放大器的工作狀態（溫度、輸出功率、駐波）、測試系統的輸出功率、測試系統的反射功率、接入待測件后待測件的功率波動范圍等相關參數進行監控；功率放大器一般已經預留好相關接口及協議，溫度功率、駐波等參數均可以通過接口直接進行采集；其他信號參數需要用功率計探頭進行監測，這些監測數據可以通過GPIB接口進行監控；信號發生器目前采用美國是德的N5182系列信號發生器、德國RS的SMU200A系列，目前這兩款信號源在信號調制仿真上及測試精度上均滿足功率容量測試系統的要求；信號放大系統由若干個開關電源組成，為了避免開關電源的諧波畸變率等對測試系統的影響，在設計系統過程中要嚴格選購開關電源，功率放大系統一般采用三級放大，即推動級、放大級、合成級構成，一般按照現有行業技術規范要求四個載波的測試要求，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應至少配置2套均值1000W，峰值4000W，這樣功率放大器在合成后再考慮相關鏈路衰減方可保證系統測試要求；信號分離系統采用大功率低互調雙工器，要求雙工器的功率容量均值在1000W以上，峰值功率在8000W以上的情況下時沒有飛弧，反射互調小于-165dBc；負載主要應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負載；以及測試其他直通型器件在器件的多余端口安裝上相應高功率、低互調負載；散熱系統主要解決系統在正常功率時散發的熱量，如果熱量不及時排除積蓄到設備當中，會降低系統的使用壽命并影響測量結果；目前散熱系統可以采用低噪音的工業風扇進行排風。本系統建議采用型號為TC06-040JFH/01的內置半導體TEC空調，采用上述設計使得系統的噪聲可以降低至50分貝以下，系統的工作溫度維持在50℃以下，其他類型的功率容量測試平臺由于溫升的緣故其工作溫度均高于50℃。

各部分功能及詳細技術要求如下：

1.信號源：根據計算機的指令發射多種多載波調制信號，例如：GMSK信號、CDMA信號、EDGE信號、WCDM信號、TD-LTE信號、FDD-LTE信號；該信號源采用安捷倫的N5182A，可以根據測試要求進行靈活的配置各種不同的調制信號。

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

2.功率放大器：將信號源發射來的調制信號進行放大，采用多載波功率放大器，最大輸出功率均值可以達到500W，峰值2500W。每個模式的功率放大器由推動級功率放大器、輸出級功率放大器組成；根據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：可以對信號源發射過來的射頻信號進行過濾，對工作頻帶外的信號進行濾除，該模塊為測試系統的可插拔模塊，根據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。

技術參數：（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：檢測系統正向輸出信號電平大小，檢測發射功率大小，被檢測到的正反向功率用于計算系統在測試狀態下的駐波變化。

（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生的飛弧，設定測試功率容量的頻段為TX，則飛弧會落入TX以外的頻段，而根據移動通信系統設計的需要，不要對整個的工作頻段進行監測，只需對測試頻段對應的接收頻段RX進行測試即可滿足設計要求，而其他系統的接收頻段RX由于自身于被測系統之間就存在隔離，干擾可以忽略不計。

（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：該系統輸出信號經過被測器件后信號電平可能仍舊很大，以移動通信系統常用的腔體10dB耦合器，其直通損耗僅有1dB左右，假定測試功率為300W，則經過被測器件后的功率仍可以達到200W左右，這對于后續接入的功率計來說功率還是非常大的，考慮此點在此系統當中增加一個50dB的衰減器。

技術參數：

（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：功率計1用于檢測雙定向耦合器的正向功率，功率計2用于檢測雙定向耦合器的反向功率。功率計3：用于檢測系統輸出功率變化，按照功率容量測試要求，當直通型器件經過大功率測試信號后其信號的輸出功率變化應在3dB以內。

技術參數：

（1）工作頻段：9KHz-12.75GHz；

（2）接收靈敏度：-50dBm；

（3）最大輸入功率：+30dBm。

8.計算機：控制系統信號的開關；通過監測功率計1和功率計2的數值來反應被測器件的駐波變化；監測頻譜分析儀的飛弧數量，并將整個系統的測試狀態及結果匯總后進行打印或以DOC報告的形式進行輸出存檔。

技術要求：

（1）操作系統：win xp，win 7，win 8;

（2）內存：512M以上；

系統采用模塊化的設計便于后期的升級及日常的維護；從整個系統組成來說：信號源、頻譜分析儀、功率計、雙定向耦合器、3dB電橋均為寬頻的設計，故可以兼容不同頻段不同系統的測試，而功率放大器及濾波器、雙工器采用模塊化的設計即當測試不用頻段時只需更換上述三個模塊即可；

系統自維護：

系統可自行進行校準及維護，在進行測試及關閉測試過程中，由于功率放大器采用的是多級放大合路輸出，單路存在著推動級過載的問題，兩路存在著相位匹配功率匹配的問題。而故在設計系統時對于信號的輸入和關閉采用自動控制，兩路開關時延小于1ms，相位偏差控制在5°；在信號放大和減小時調節步長可以設定，防止信號急劇變大或減小對系統的功率沖擊造成系統內部模塊的損壞，但是考慮測到測試效率等問題在系統設計時要考慮步長的上下限：建議采用0.1dB-5dB之間均可。

五、系統應用

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負載；

2.向待測器件發送大功率信號

（1）設置信號發生器頻率：單載波測試時載波的中心頻點設置為953.6MHz，4載波測試時：設置頻點為942MHz，942.6MHz，953MHz，953.6MHz；

（2）打開計算機，讓計算機自動調整信號功率直至進入功率計1讀數為要求測試功率；

（3）頻譜分析儀設置為maxhold模式；

3.將被測器件至于溫控箱中，當溫控箱的溫度到達50℃時，關閉溫控箱；

4.連續測試10分鐘；

5.結果判定

5.1 判定在接收頻段內是否有飛弧現象；

在整個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量若大于5個，則判定為存在飛弧；

飛弧現象是由于，器件功率容量不足，特別是對峰值功率的承受能力不足，產生異常發熱、打火現象，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3讀數的信號降低幅度不得大于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鍵指標（例如插入損耗、帶內波動、輸入口反射互調）進行測試，如其他指標不符合相關標準要求則判定為燒毀；

（3）在整個測試過程中，計算機監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，對器件內部進行外觀檢查，如果出現肉眼可見的黑色的打火痕跡則判斷為燒毀。

六、總結

通過該系統測試后合路器在網的故障率明顯降低，同時通過該容量容量測試系統可以帥選一些高功率器件用于一些關鍵場景下的信號合路器，以保證網絡的通信質量，由此可見該系統在合路器生產制造過程中的重要作用。缺點是目前該套系統的加工成本較高，不適合大范圍推廣，但是該系統對提高移動通信網的建設質量、提升移動通信設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必然會像網絡分析儀等S參數測試儀表一樣普及，得到電信運營商、設備制造商、測試服務提供商的重視。