多模数据卡中抑制二次谐波的设计

张 新, 解江博

(西安邮电大学 电子工程学院， 陕西 西安 710121)

多模数据卡中抑制二次谐波的设计

张 新, 解江博

(西安邮电大学 电子工程学院， 陕西 西安 710121)

针对多模数据卡终端WCDMA2100频段射频发射通路易出现二次谐波泄漏，引起通信质量下降的问题，通过在功率放大器输出端搭建一个具有低通滤波功能的T型LC匹配网络来实现二次谐波的抑制。在ADS2008软件下仿真S参数并对匹配网络进行优化，使得二倍频处的谐波分量在-44 dB以下，同时主频带内的信号未被削弱。经过仿真和实测分析表明，此设计方法对二次谐波有良好的抑制作用，可用于解决谐波泄漏问题。

多模数据卡；T型LC匹配网络；二次谐波

在射频发射链路中，由于谐波泄漏造成的电磁干扰会导致通信链路质量的下降[1]。严重时会造成传送的信息丢失，使得射频链路不能正常工作[2]。因此在电路中使用相应的滤波器是一种简捷快速滤除二次谐波的方法[3]。在实际的数据卡射频发射通路中对谐波的处理是选择一种隔离度好的双工器来对整个发射通路进行谐波信号隔离，以提取有用的信号[4]，但这种方法并没有从射频链路的每部分器件所产生的效果进行分析，因此没有形成一个通用方法来解决谐波的影响。

本文拟借助ADS2008仿真软件，在多模数据卡WCDMA2100频段的功率放大器(Power Amplifier, PA)输出端，设计一个具有低通滤波功能的T型LC匹配网络，来抑制二次谐波的泄漏,进而抑制整个发射通路的谐波分量，改善射频链路的通信质量。

1 抑制谐波的电路设计

1.1 谐波的产生

在射频通信系统中，由于非线性器件如放大器在对信号进行放大的过程产生谐波分量，在发射的过程中由于滤波器或双工器对谐波的抑制过小使得谐波泄漏到其他的信道中对电路产生干扰。本文中的多模数据卡在WCDMA2100频段下工作时，由于双工器对谐波的隔离度过小而使得谐波泄露，考虑到在射频链路中更换一款隔离度较高的器件会对射频电路中其他的信令指标产生影响。因此根据工程实践经验，本文在功率放大器输出端设计一种具有低通滤波功能的T型LC匹配网络实现对二次谐波的抑制。

1.2 滤波器的设计

根据图1中WCDMA2100频段的PA到天线测试口的方框图可得知二次谐波的抑制度是PA和双工器在二次谐波处的抑制度之和[2]。鉴于文中PA的输出匹配网络是T型网络，因此在设计的低通滤波器也是基于T型匹配网络而设计的。由图1的发射通路方框图和3GPP对射频信令指标的要求[5]，设计的低通滤波器如图2所示。

图1 WCDMA2100射频发射链路

图2 低通滤波器的仿真设计模型

在图2的T型LC匹配网络的低通滤波器中，串联电感在直流电路中相当于短路的，且其阻性电抗随着频率增加而增加，因此频率增加时它会进一步抑制射频电路中功率放大器输出端的能量流通。即当频率增加到中心频率的二倍频3.9 GHz时低通滤波器对放大器输出的能量流通至其他频段是有抑制的作用。

1.3 仿真分析

通过ADS2008仿真软件对其设计的电路进行仿真结果如图3所示。

由图3可见，主频带内中心频率(W2100MHz发射频段的中心频率为1950 MHz)处的回波损耗即S(1,1)参数为-27.766 dB，即此低通滤波器对于主频带内的功率能量基本上完全通过。在中心频率的二倍频处的插入损耗即S(2,1)参数为-14.632 dB，即中心频率的二倍频处的谐波分量可被有效的抑制。

图3 设计电路仿真结果

两个S参数叠加的仿真结果如图4所示，从中可见，能量在主频带1.95 GHz是可以完全通过，在二倍频处对能量有抑制作用的。由于文中的低通滤波器是基于PA的输出匹配网络设计的，该匹配网络可能会影响到相邻信道功率泄漏比(Adjacent Channel Leakage Ratio, ACLR)和工作电流的大小，因此通过矢量网络分析仪调试设计的T型匹配网络参数来解决ACLR和电流的大小。同时调试的过程也初步验证了设计的匹配网络是否满足要求。

图4 S(1,1)和S(2，1)叠加的仿真结果

2 测试分析

2.1 测试模型

传导杂散(Conducted Spurious Emission, CSE)是电磁兼容[6]中不可或缺的测试项。它也是反映二次谐波是否正常的指标。CSE测试是在100 kHz ～ 12.75 GHz频率范围内进行测试，杂散发射在50 Ω负载上的离散骚扰信号，对低于限值6 dB的杂散发射忽略不计。测量接收机采用峰值检波，并设置为峰值保持。它的限值有两种模式：空闲模式和工作模式。测试方法如图5所示。

图5 传导杂散骚扰测试方法

在图5中，系统模拟器相当于被测试的设备即多模数据卡，移动台即测试中所用到的仪表。在这里仪表可以选择CMU200仪表或者安捷伦8960仪表。测试过程中对于每部分连接的线缆的线损要加在测试过程中。具体线损的添加根据选择的线缆的粗细长度而定。

2.2 测试步骤

通过矢量网络分析仪对设计的T型网络进行验证分析，此处对在矢量网络分析仪上新建Smith圆图工程以及端口校准，同轴开口线校准不做冗余说明[7]。用风枪吹掉WCDMA2100频段的PA，在PA输出管脚焊上已校准过的同轴开口线，矢网的端口1连接同轴开口电缆，端口2通过射频线连接终端的射频测试座。打开天线开关，可以在矢网上看到输入阻抗的收敛和位置，如图6所示。

由图6可见，所设计的T型匹配网络经过调试后，输入阻抗收敛曲线在50 Ω左上侧附近已达到WCDMA2100频段的最优匹配。这种最优匹配满足最大功率传输原理[8]。

图6 由PA后输出匹配网络看到的输入阻抗

2.3 测试结果

由对设计电路的仿真结果可知主频带内3个信道的损耗比较平坦，因理论上二次谐波的抑制在-14 dB左右，故设计达到预期目的。由于仿真设计用到的电容电感的模型都是理想的，PA的Loadpull位置[9]也是需要依据具体的布局布线进行实际的优化，因此理论设计和实际终端的性能会有一定的差异，只有通过实际终端工作时的射频指标测试，来验证设计的低通滤波器是否满足要求。将设计仿真得到的低通滤波器放置在PA后的输出匹配网络的位置上，焊上PA，把终端进行校准之后，在综测仪上测试得到的关键射频指标结果如表1所示。

表1 实际终端工作时的关键射频指标测试结果

由表格1可以看到测试出来的功率符合3GPP的规范要求[5]，同时在功率正常的前提下临近信道泄漏功率比和最大电流也是满足测试要求的，因此所设计的T型低通滤波器在矢量网络分析仪50 Ω右侧是最优位置。

在PA后换上设计的T型匹配，之前和之后测试的二次谐波结果分别如图7和图8所示。图中标记的1和2分别为主频带和二次谐波处的频谱图。左下角显示了在3.9 GHz时二次谐波的抑制度。

图7 采用设计的低通滤波器之前的二次谐波测试结果

图8 采用设计的低通滤波器之后的二次谐波测试结果

由测试二次谐波的结果可以清晰的看到本文设计的低通滤波器将二次谐波由-32.665 dBm 降低到-44.113 dBm，和测试要求相比，已有11.448 dB的余量，很好地解决了二次谐波临界的问题。当然测试中由于线缆带来的线损和一些测试环境的限制使得测试跟设计仿真的结果有一定的差异。此差异在设计允许的范围之内。同时经过验证，电流和其他射频指标也没有恶化，可以很好地满足要求。因此所设计的低通滤波器可实现二次谐波的抑制。

3 结 语

采用ADS2008仿真软件在多模数据卡WCDMA2100频段的功率放大器输出端设计了一个具有低通滤波功能的T型匹配网路，由此可解决该频段中由于双工器抑制度过小而引起的二次谐波的临界。通过实测后得知该设计的T型匹配网络对二次谐波具有良好的抑制作用。

[1] 文光俊,谢甫珍,李建编.无线通信射频电路技术与设计[M].北京:电子工业出版社,2010:7-10.

[2] 陈邦媛.射频通信电路[M].北京:科学出版社,2006:4-8;12-14.

[3] Cameron R J, Kudsia C M, Mansour R R.通信系统微波滤波器:基础、设计与应用[M].北京:电子工业出版社,2012:481-510.

[4] 李继熙.射频电路工程设计[M].北京:电子工业出版社,2011:223-228.

[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] 陈伟华.电磁兼容实用手册[M].北京:机械工业出版社,1998:2-7.

[7] 王琦.现代矢量网络分析仪的校准与测量[J].实验技术与管理,2006,2(1):32-34.

[8] Ludwing R, Bretchko P. RF cicuit design: theory and applications[M].北京:科学出版社,2002:342-350.

[9] 徐兴福.ADS2008射频电路设计与仿真实例[M].北京:电子工业出版社,2009:205-207.

[责任编辑:王辉]

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

西安市科技局工业技术应用研发基金资助项目(CXY1117)

张新(1968-)，女，教授，从事网络计算与网络管理研究。E-mail:zhx@xupt.edu.cn 解江博(1987-)，男，硕士研究生，研究方向为电子与通信工程。E-mail:RIKAMIMO@126.com

TN925+.1

A

2095-6533(2014)01-0066-04