為研究系統(tǒng)級(jí)射頻設(shè)備高功率微波前門(mén)效應(yīng)，采用注入法對(duì)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(shí)驗(yàn)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(qiáng)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)致通過(guò)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(shí)驗(yàn)中監(jiān)測(cè)到了經(jīng)兩次反射環(huán)行的高功率微波脈沖。說(shuō)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(huì)承受上行通道進(jìn)入的高功率微波脈沖損傷的風(fēng)險(xiǎn)。

       高功率微波對(duì)電子設(shè)備的毀傷效應(yīng)分為前門(mén)效應(yīng)和后門(mén)效應(yīng)，后門(mén)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(mén)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(mén)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(duì)純接收設(shè)備如全球定位系統(tǒng)（GPS）接收天線(xiàn)或收發(fā)設(shè)備中的接收鏈路效應(yīng)研究較多，且一般通過(guò)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(duì)高功率微波效應(yīng)的影響僅作為衰減項(xiàng)考慮。但在時(shí)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(kāi)關(guān)等雙工器件進(jìn)行上下行隔離并實(shí)現(xiàn)天線(xiàn)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(huì)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(duì)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?，本文開(kāi)展了一射頻通信基站的時(shí)分復(fù)用射頻前端高功率微波脈沖波形響應(yīng)研究，證實(shí)了濾波器和環(huán)形器除對(duì)高功率微波脈沖有衰減作用外，還會(huì)對(duì)其波形有特別的影響，揭示出在開(kāi)展射頻前端高功率微波效應(yīng)研究時(shí)，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(wú)源器件對(duì)高功率微波脈沖的影響。

一、環(huán)行器型時(shí)分復(fù)用射頻前端結(jié)構(gòu)

       時(shí)分復(fù)用是指設(shè)備上下行載波頻率一致，通過(guò)時(shí)間上交替完成基站和用戶(hù)之間的通信。時(shí)分復(fù)用可節(jié)省頻帶資源、簡(jiǎn)化濾波器及天線(xiàn)設(shè)計(jì)，在第四代（4G）移動(dòng)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(shí)分雙工有環(huán)行器、微波開(kāi)關(guān)等。本文對(duì)采用環(huán)行器、共用天線(xiàn)和濾波器的時(shí)分復(fù)用長(zhǎng)期演進(jìn)體制（TD-LTE）基站射頻前端開(kāi)展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?？梢钥闯?，該前端由一個(gè)腔體濾波器（黑色）和兩個(gè)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(gè)端口。外側(cè)兩個(gè)為天線(xiàn)空口，分別接±45°極化的天線(xiàn)，保證基站覆蓋范圍內(nèi)任何極化方向用戶(hù)信號(hào)都能被接收；內(nèi)側(cè)兩個(gè)端口通過(guò)兩根藍(lán)色半鋼同軸電纜連接至兩個(gè)射頻信號(hào)處理模塊。每個(gè)射頻信號(hào)處理模塊通過(guò)兩根黑色同軸電纜與基站基帶處理單元（BBU）相連。

圖 1    時(shí)分復(fù)用射頻前端模塊照片

       下行鏈路由 BBU 開(kāi)始，攜帶信息的射頻信號(hào)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(xiàn)，向基站周?chē)臻g輻射。上行鏈路由用戶(hù)終端（UE）產(chǎn)生的信號(hào)開(kāi)始，經(jīng)天線(xiàn)、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(hào)頻帶相同，時(shí)間上交替進(jìn)行，從而實(shí)現(xiàn)基站與用戶(hù)終端（UE）之間的通信。

        圖 2 給出了與上下行信號(hào)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(xiàn)和濾波器。在環(huán)行器處，上行信號(hào)由環(huán)行器 1 端口進(jìn)入，通過(guò)端口2 進(jìn)入低噪放（LNA） ；下行信號(hào)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(xiàn)輻射出去。

圖 2    射頻前端模塊元器件組成示意圖

二、環(huán)行器型時(shí)分復(fù)用前端高功率微波脈沖響應(yīng)

       環(huán)行器型時(shí)分復(fù)用前端高功率微波脈沖響應(yīng)采用注入實(shí)驗(yàn)方法研究。實(shí)驗(yàn)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(gè)天線(xiàn)端口?；镜妮敵鐾ㄟ^(guò)定耦 2、環(huán)行器 2、衰減器、天線(xiàn)輻射到外部空間。通過(guò)定耦 1 前向耦合支路監(jiān)測(cè)大功率發(fā)射源的發(fā)射波形，通過(guò)定耦2 反向耦合支路監(jiān)測(cè)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(shí)驗(yàn)示意圖

1、 射頻前端下行波形及頻帶

      首先測(cè)試基站射頻前端下行波形?；绢A(yù)熱開(kāi)機(jī)，用數(shù)字示波器監(jiān)測(cè)其下行信號(hào)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。捕捉數(shù)字示波器其中一個(gè)微脈沖的波形及其頻譜如圖 5 所示，可見(jiàn)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(hào)波形

圖 5    基站下行信號(hào)波形及其頻譜

       監(jiān)測(cè)了不同時(shí)刻基站下行信號(hào)波形和頻譜，在不同時(shí)間及不同情況下，頻帶在一定范圍內(nèi)變化，由設(shè)備說(shuō)明書(shū)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(diǎn) 1800 MHz，依圖 3 所示實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開(kāi)展注入實(shí)驗(yàn)。注入脈沖脈寬 50 ns，單脈沖方式，注入功率高為 200 W。

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(kāi)始，按照 3 dB 遞增，采用示波器檢測(cè)注入和反射波形。在實(shí)驗(yàn)中我們發(fā)現(xiàn)無(wú)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(kāi)始一直持續(xù)一段時(shí)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(shí)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(gè)尖峰的脈沖為定耦 2 上監(jiān)測(cè)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(diǎn)比較明顯，即脈沖上升和下降時(shí)反射波呈尖峰狀，反射較大；在脈沖中部，呈平底狀，反射較??；存在一個(gè)振蕩波。

圖 6    注入脈沖功率 200 mW 時(shí)注入與反射脈沖波形

圖 7    注入脈沖功率 20 W 時(shí)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(shí)為注入脈沖的反射波而不是基站的下行信號(hào)波形，采用重頻脈沖注入，且調(diào)節(jié)重復(fù)頻率使某個(gè)注入脈沖正處于基站射頻前端下行信號(hào)某個(gè)微脈沖內(nèi)。通過(guò)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(jiàn)，在注入脈沖存在時(shí)段及之后，基站下行脈沖內(nèi)可見(jiàn)一個(gè)具有 4 個(gè)峰的脈沖（后兩個(gè)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(shí)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

三、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，分別開(kāi)展了該射頻前端濾波器帶外和帶內(nèi)注入實(shí)驗(yàn)、濾波器單獨(dú)注入實(shí)驗(yàn)以及射頻收發(fā)模塊的注入實(shí)驗(yàn)。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(duì)注入脈沖的反射是從下行端口能夠監(jiān)測(cè)到發(fā)射波形的原因。

1、射頻前端濾波器是反射波形狀的成因

     開(kāi)展了帶內(nèi)和帶外注入實(shí)驗(yàn)研究，研究表明，帶外注入時(shí)反射波形與注入波形基本一致，而帶內(nèi)注入時(shí)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(duì)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(guò)渡到與前述帶內(nèi)反射波形類(lèi)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(dú)對(duì)濾波器進(jìn)行帶內(nèi)注入實(shí)驗(yàn)研究。濾波器后端口分別接匹配負(fù)載和保持開(kāi)路時(shí)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(dú)濾波器對(duì)注入脈沖的反射波

       濾波器是線(xiàn)性時(shí)不變（LTI）系統(tǒng)，對(duì) LTI 系統(tǒng)，其時(shí)域波形的變化均來(lái)自于不同頻率成分經(jīng)過(guò) LTI 系統(tǒng)后產(chǎn)生的變化疊加。當(dāng)一個(gè) LTI 系統(tǒng)輸入一個(gè)正弦信號(hào)時(shí)，輸出信號(hào)頻率不會(huì)發(fā)生不變，改變的只是幅值和相位。因此，若是帶內(nèi)連續(xù)波通過(guò)濾波器，其波形通過(guò)濾波器后不會(huì)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(guò)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(qiáng)烈，故反射脈沖在上升和下降沿部分可見(jiàn)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(shí)間更長(zhǎng)的振蕩波，文獻(xiàn)對(duì)比研究了射頻濾波器對(duì)超寬帶脈沖和低功率連續(xù)波時(shí)域響應(yīng)波形的異同，認(rèn)為濾波器的高 Q 值和儲(chǔ)能特性會(huì)使超寬帶脈沖的時(shí)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(shí)間長(zhǎng)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(shí)域特征上也是比注入脈沖長(zhǎng)且呈振蕩特性，因此可以認(rèn)為是濾波器的高 Q 值和儲(chǔ)能特性造成了注入短脈沖的展寬。

2、射頻前端環(huán)行器是反射波形能夠被監(jiān)測(cè)的原因

     將濾波器去掉，單獨(dú)對(duì)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(shí)驗(yàn)證實(shí)從共用端口注入脈沖后，可以從該口測(cè)到反射波。說(shuō)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，之后由注入口反射輸出。

圖 11    無(wú)濾波器的射頻前端注入反射波形

       通過(guò)對(duì)無(wú)濾波器的射頻前端模塊注入實(shí)驗(yàn)，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，從當(dāng)初注入口輸出。這個(gè)現(xiàn)象展示了超過(guò)基站射頻前端上行通道正常功率水平的注入脈沖會(huì)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(lái)，且低噪放和功放均對(duì)注入脈沖產(chǎn)生了反射。通信基站低噪放允許的連續(xù)波輸入功率一般在 10 dBm 以下，而高功率微波通過(guò)前門(mén)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(wú)法吸收全部來(lái)波，故將大部分來(lái)波反射。在功放的輸出端，從實(shí)驗(yàn)中可以看到從低噪放反射過(guò)來(lái)的波被再次反射，但其導(dǎo)致反射的機(jī)理尚待進(jìn)一步研究。

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(huì)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(gè)現(xiàn)象也說(shuō)明實(shí)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(huì)被濾波器削弱。實(shí)驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)，不經(jīng)濾波器進(jìn)入射頻模塊的脈沖，會(huì)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(xiàn)端口、環(huán)行器型射頻前端的高功率微波前門(mén)效應(yīng)研究提供了監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)。同時(shí)，環(huán)形器的存在以及低噪放對(duì)超過(guò)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(xiǎn)。

四、結(jié)論

      通過(guò)對(duì)采用環(huán)行器的時(shí)分復(fù)用基站開(kāi)展整體注入實(shí)驗(yàn)、濾波器單獨(dú)注入實(shí)驗(yàn)以及不帶濾波器的射頻模塊注入實(shí)驗(yàn)，本文得到了時(shí)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(huì)被濾波器強(qiáng)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(cè)到。這種現(xiàn)象一方面使環(huán)行器型時(shí)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(xiǎn)，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(hào)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?jī)?nèi)容。盡管如此，限于知識(shí)和能力水平，本文對(duì)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(duì)環(huán)行器下行通道的功放在何種情況會(huì)出現(xiàn)損傷，目前尚未開(kāi)展研究。今后將對(duì)上述兩方面問(wèn)題繼續(xù)開(kāi)展研究。