TD-SCDMA 終端綜合測(cè)試儀射頻合路模塊的設(shè)計(jì)與

1、TD-SCDMA 終端綜合測(cè)試儀射頻合路模塊的設(shè)計(jì)與    摘 要：射頻合路模塊介于天線與收發(fā)信機(jī)射頻鏈路之間，其性能關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的性能。本文通過(guò)對(duì)終端綜合測(cè)試儀中射頻合路模塊的需求進(jìn)行分析，提出了一種通用合路模塊方案，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了詳細(xì)分析與電路設(shè)計(jì)。通過(guò)實(shí)際測(cè)試確定達(dá)到了指標(biāo)要求。關(guān)鍵詞：TD-SCDMA; 合路器；PIN 開(kāi)關(guān)二極管；同軸電纜中圖分類號(hào)：TN929.531 引 言作為第三代移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)的TD-SCDMA 系統(tǒng)在我國(guó)逐步發(fā)展起來(lái)，為保障TD-SCDMA產(chǎn)業(yè)鏈的完整、提升產(chǎn)業(yè)化的可靠性和競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，TD-SCDMA 終端產(chǎn)業(yè)迫切需要

2、一個(gè)綜合的測(cè)試平臺(tái)。在GSM 和CDMA 終端生產(chǎn)的測(cè)試儀表中，國(guó)外的測(cè)試儀表生產(chǎn)公司已經(jīng)占據(jù)了大部分市場(chǎng)，但是在TD-SCDMA 系統(tǒng)的終端測(cè)試領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)還處于起步階段，具有廣闊的發(fā)展空間。終端綜合測(cè)試儀射頻合路模塊包括數(shù)字和模擬兩部分。作者從插入損耗、隔離度、回波損耗等合路器的根本指標(biāo)出發(fā)，完成了射頻合路模塊的原理設(shè)計(jì)；參與了從芯片選型和評(píng)估、ADS 仿真、PCB 設(shè)計(jì)、射頻合路模塊各部分的調(diào)試，直至最后測(cè)試儀整體硬件聯(lián)調(diào)的全套流程。2 合路模塊總體功能描述及指標(biāo)分析A模擬部分?jǐn)?shù)字部分BCPCI BUS狀態(tài)控制圖1 合路模塊基本框圖合路模塊由數(shù)字和模擬兩部分組成，如圖1 所示，分別由數(shù)

3、字板卡和模擬板卡實(shí)現(xiàn)，模-2-擬板卡前端分別為A,B,C 和四個(gè)射頻端口。A 口連接射頻接收模塊，B 口連接射頻發(fā)送模塊，C 口輸出至機(jī)箱外備用，口連接測(cè)試終端。作為通用的合路模塊，各端口可以靈活配置。該合路模塊的四個(gè)端口分別為雙向3 輸入和1 輸出，3 個(gè)端口等價(jià)對(duì)稱，適用于250MHz到3GHz 的頻率范圍，有三種工作模式：a. ABC-模式下，在上行鏈路方向上接收來(lái)自被測(cè)終端的射頻信號(hào)，經(jīng)過(guò)衰減和溫度補(bǔ)償?shù)冗^(guò)程，將射頻信號(hào)發(fā)送到射頻接收板。在下行鏈路方向上將射頻發(fā)送模塊發(fā)送的射頻信號(hào)傳至終端，帶動(dòng)終端進(jìn)入通話狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)雙方信息的交互。b. A-, B-C 模式下，提供測(cè)試儀外部自環(huán)功能，

4、可以更加方便靈活地搭建測(cè)試平臺(tái)；c. C-, A-B 模式下，提供內(nèi)部閉環(huán)功能，以實(shí)現(xiàn)測(cè)試儀內(nèi)部校準(zhǔn)功能，以提高測(cè)試儀性能。射頻合路模塊設(shè)計(jì)時(shí)，其性能指標(biāo)的確定和分析尤為重要，依據(jù)終端綜測(cè)儀的應(yīng)用和通用性分析，確定其性能指標(biāo)為如下幾項(xiàng)：頻率范圍：300Mhz3000Mhz插入損耗：A、B、C 和端口之間小于15dB，A 和B，B 和C 之間小于2dB?；夭〒p耗：端口大于20dB，A、B、C 端口大于16 dB。隔離度：A 和C，A 和B，B 和C 之間均大于35dB。此外，需要考慮的性能指標(biāo)還有功耗，以及單板高溫、老化、產(chǎn)品測(cè)試的性能和穩(wěn)定性、一致性等。3 合路器關(guān)鍵部分的設(shè)計(jì)射頻合路模塊的模

5、擬部分的結(jié)構(gòu)如圖2 所示。模擬部分主要分為控制邏輯部分，開(kāi)關(guān)矩陣部分，鏈路損耗調(diào)節(jié)電路部分，匹配電路部分，同軸電纜隔離器部分，合路網(wǎng)絡(luò)部分。同 軸 電 纜同 軸 電 纜開(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān)ACB二合路網(wǎng)絡(luò)二合路網(wǎng)絡(luò)控制邏輯來(lái)自數(shù)字板的FPGA衰減網(wǎng)絡(luò)匹配電路圖2 合路模塊模擬部分結(jié)構(gòu)射頻合路模塊常用的三種工作模式詳細(xì)邏輯為：ABC-，當(dāng)選擇這種工作方式時(shí)，模擬板內(nèi)部的開(kāi)關(guān)陣列進(jìn)行相應(yīng)的通斷調(diào)整，A 口-3-通過(guò)模擬板內(nèi)部的開(kāi)關(guān)陣列、衰減網(wǎng)絡(luò)、同軸電纜隔離器、一路電阻合路網(wǎng)絡(luò)后，與輸出口連通。B 口通過(guò)模擬板內(nèi)部的開(kāi)關(guān)陣列、同軸電纜隔離器、兩路電阻合路網(wǎng)絡(luò)后，與輸出口連通。C 口通過(guò)模擬板內(nèi)部的開(kāi)關(guān)陣列

6、、兩路電阻合路網(wǎng)絡(luò)后，與輸出口連通。A-，B-C，當(dāng)選擇這種工作方式時(shí)，模擬板內(nèi)部的開(kāi)關(guān)陣列進(jìn)行相應(yīng)的通斷調(diào)整，A口通過(guò)模擬板內(nèi)部的開(kāi)關(guān)陣列、衰減網(wǎng)絡(luò)、同軸電纜隔離器、一路電阻合路網(wǎng)絡(luò)后，與輸出口連通。B 口通過(guò)模擬板內(nèi)部的開(kāi)關(guān)陣列直連到C 口，B 路和C 路到的電路被開(kāi)關(guān)阻斷。C-，A-B，當(dāng)選擇這種工作方式，與第二種工作方式同理。3.1 開(kāi)關(guān)電路設(shè)計(jì)PIN 管的特性是可以以用低直流電平來(lái)控制高功率的射頻信號(hào)，具有體積小、控制功率小、控制速度快等特點(diǎn)。為了滿足合路器端口間隔離度的要求，該開(kāi)關(guān)電路采用了多個(gè)PIN管串聯(lián)的設(shè)計(jì)。A 鏈路B 鏈路C 鏈路A1控制點(diǎn)B1控制點(diǎn)C1控制點(diǎn)A2控制點(diǎn)B2

7、控制點(diǎn)C2控制點(diǎn)2個(gè)PIN二極管2個(gè)PIN二極管2個(gè)PIN二極管5個(gè)PIN二極管5個(gè)PIN二極管圖3 開(kāi)關(guān)陣列示意圖如圖3 所示，開(kāi)關(guān)陣列是由多個(gè)PIN 二極管組成，其中在A-、B-、C-鏈路上分別由兩個(gè)PIN 二極管負(fù)責(zé)電路的通斷，在A-B 和B-C 之間鏈路分別由五個(gè)PIN 二極管負(fù)責(zé)電路的通斷。這是為電路中匹配阻抗的需求、鏈路插入損耗確定和A-B 和B-C 之間隔離度的要求設(shè)計(jì)的。由于PIN 二極管本身有等效串聯(lián)電阻，因此在考慮電路的阻抗匹配和連續(xù)性時(shí)，需要將二極管本身的串聯(lián)電阻考慮進(jìn)去，開(kāi)關(guān)關(guān)斷后電流泄漏因開(kāi)關(guān)管的數(shù)量增加而減少，但因?yàn)槠浯?lián)電阻的原因，選擇僅選用兩個(gè)PIN 管即可保證

8、電流很少泄漏。其次，因?yàn)殒溌凡迦霌p耗在三條路徑上等值的情況下越小越好，考慮到PIN 開(kāi)關(guān)二極管的插入損耗參數(shù)的大小，選用二個(gè)較為合適。最后，在確定A-B 和B-C 之間隔離度的要求時(shí)，經(jīng)過(guò)ADS 仿真，在5 個(gè)PIN 二極管串聯(lián)的情況下，在250MHz 到3GHz 的頻率范圍內(nèi)，其隔離度可以達(dá)到40dB 以上，幾乎沒(méi)有電流的泄漏，因此滿足了指標(biāo)需求。表1 為不同工作模式下個(gè)控制點(diǎn)狀態(tài)：-4-表1 開(kāi)關(guān)模式對(duì)應(yīng)的控制點(diǎn)電平邏輯工作模式 各控制點(diǎn)電平邏輯ABC- A1>A2, B2>B1, C1>C2, A1>B1, C1>B1A-，B-C A1>A2, A1&

9、gt;B1>B2, B1>C1, C2>C1C-，A-B A2>A1, B1>A1, B1>B2, C1>B1, C1>C23.2 同軸電纜隔離器的設(shè)計(jì)為了滿足A、B 端口間隔離度要求，A-，B-兩條信號(hào)鏈路中采用了同軸電纜隔離器的設(shè)計(jì)。原理如圖4 所示：連接到口平衡不平衡I2I1連接到B鏈路R1相當(dāng)于口所接的匹配負(fù)載R150R350R450R250I3I4I5I6R2、R3、R4共消耗6dB功率1/4abc連接到A鏈路圖4 同軸電纜隔離器原理在理想情況下，從A 鏈路過(guò)來(lái)的射頻信號(hào)可以傳輸?shù)娇诠┙o負(fù)載，并沒(méi)有信號(hào)流入B鏈路，達(dá)到A-B 之間的完全

10、隔離；反之，若從口過(guò)來(lái)的射頻信號(hào)，由于這種電流平衡狀態(tài)被打破，有部分電流進(jìn)入A 鏈路，剩余部分電流全部進(jìn)入了B 鏈路，這也正符合合路器反過(guò)來(lái)為耦合的功能需求；由B 鏈路過(guò)來(lái)的射頻信號(hào)，由于a 點(diǎn)、b 點(diǎn)對(duì)地電阻相等即電勢(shì)相等，故I5 和I6 平分其電流，且分別全部傳輸?shù)絉1 和R2 上，同軸電纜內(nèi)外導(dǎo)體上均無(wú)電流，達(dá)到B-A 之間的完全隔離。-5-4 實(shí)際測(cè)試結(jié)果圖5 ABC-模式下，A 和端口間插損及回?fù)p測(cè)試圖6 ABC-模式下，B 和C 端口間隔離度及回?fù)p測(cè)試通過(guò)測(cè)試曲線可知，射頻合路模塊各個(gè)端口以及端口之間的插入損耗、隔離度和回波損耗等參數(shù)都符合了預(yù)期指標(biāo)需求，對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行了很好的驗(yàn)證

11、。5 結(jié)論本文詳細(xì)描述了TD-SCDMA 終端綜合測(cè)測(cè)儀射頻合路模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，給出了該合路模塊的邏輯框圖，具體說(shuō)明了射頻模塊中關(guān)鍵部分的電路設(shè)計(jì)，并通過(guò)給出的測(cè)試曲線和測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。從驗(yàn)證結(jié)果可以看出，在保證測(cè)試儀各功能都順利實(shí)現(xiàn)的情況下，射頻合路模塊的設(shè)計(jì)在各個(gè)方面都基本滿足預(yù)期設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求。-6-參考文獻(xiàn)1 閆潤(rùn)卿，李英惠微波技術(shù)基礎(chǔ)M，北京理工大學(xué)出版社，1997.12。2 Reinhold Ludwig, Pavel Bretcheko. 射頻電路設(shè)計(jì)理論及應(yīng)用M，王子宇等譯。北京：科學(xué)出版社，2002.3 英飛凌公司，Carrier Lifetime and Fo

12、rward Resistance in RF PIN-Diodes, Application Note No. 034.Design and Implement of RF Combiner in TD-SCDMAWireless Communication Test SetXu FeiSchool of Information and Communication Engineering, Beijing University of Posts andTelecommunications, Beijing (100876)AbstractThe performance of the RF Combiner, which is between antenna and transceiver, impacts the wholecommunication system. In this paper, a new scheme and detail design is presented based on therequirement analysi