专利名称：一种射频前端及利用其测量天馈电压驻波比的系统和方法
技术领域：
本发明涉及移动通信技术，特别是涉及一种基站射频前端，以及利用该基站射频测量基站天馈电压驻波比(VSWR，Voltage Standing Wave Ratio)的系统和方法。
背景技术：
VSWR是移动通信基站系统天馈部分的重要性能指标。为了测量天馈的VSWR，需要测量天馈的正向功率和反向功率。一个典型的测量天馈VSWR的系统如图1所示。
该系统分为两大部分基站射频前端和测量板。基站射频前端有一个收发公用的双工通道，在基站射频前端工作时，发射信号经过低通滤波器和双工器，输出到天馈接口，并进一步进入基站天馈。从双工器输出的发射信号除了输出到天馈接口外，还被第一定向耦合器耦合到正向功率测量接口，并进一步作为正向功率输出到测量板。经过天馈接口进入基站天馈的发射信号在天馈里发生反射，反射信号从天馈接口进入基站射频前端。反射信号的一部分被第二定向耦合器耦合到反向功率测量接口，并进一步作为反向功率输出到测量板，另一部分被双工器所滤除。测量板的测量模块分别测量正向功率和反向功率；然后由计算模块结合第一定向耦合器和第二定向耦合器的耦合度计算出天馈的VSWR；最后将计算结果通过结果输出模块输出。
如上所述，为了测量天馈的VSWR，需要天馈对应的通道有输入的正向功率，由输入的正向功率在天馈中反射产生反向功率，然后才能根据正、反向功率计算VSWR。但是，在实际应用中，天馈对应的通道并不总是有正向功率输入。例如，如图2所示，基站射频前端有两个双工通道，但是只有其中的一个投入使用，也就是说，只有其中的一个双工通道有输入的正向功率，这样就无法对另一个双工通道对应的天馈进行VSWR测量。又比如，如图3所示，基站射频前端有一个双工通道和一个分集接收通道，发射信号作为双工通道的输入正向功率，但是分集接收通道没有正向功率输入，因此也无法对分集接收通道对应的天馈进行VSWR测量。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基站射频前端以及利用该基站射频前端测量基站天馈VSWR的系统和方法，对基站射频前端中无正向功率输入的通道所对应的天馈也能进行VSWR的测量。
为了达到上述目的，本发明提供了一种基站射频前端，包括有功率通道、无功率通道，其特征在于，该基站射频前端进一步包括跨通道定向耦合器，用于将有功率通道正向功率的一部分耦合到无功率通道，其一端位于有功率通道的正向功率传输线旁，另一端连接到无功率通道的正向功率输入接口。
其中，所述有功率通道包括第一双工器和第一天馈接口，所述有功率通道的正向功率传输线是连接到第一双工器的发射接口的传输线；或第一双工器的合路端和第一天馈接口之间的传输线。
其中，所述无功率通道包括第二双工器和第二天馈接口，所述跨通道定向耦合器的一端位于有功率通道的正向功率传输线旁，另一端连接到第二双工器的发射接口。
其中，所述无功率通道包括接收滤波器和第二天馈接口，该基站射频前端进一步包括发射滤波器，通带为基站系统的发射频段，其一端连接到跨通道定向耦合器，另一端连接到第二天馈接口；
所述跨通道定向耦合器的一端位于有功率通道的正向功率传输线旁，另一端连接到发射滤波器。
其中，所述跨通道耦合器是10dB耦合器。
为了达到上述目的，本发明还提供了一种测量基站天馈电压驻波比的系统，包括基站射频前端和电压驻波比测量板，其中基站射频前端包括有功率通道、无功率通道、与有功率通道对应的第一测量通道、与无功率通道对应的第二测量通道，电压驻波比测量板与第一测量通道，和/或，第二测量通道相连，其特征在于，所述基站射频前端进一步包括跨通道定向耦合器，用于将基站射频前端有功率通道正向功率的一部分耦合到无功率通道，其一端位于有功率通道的正向功率传输线旁，另一端连接到无功率通道的正向功率输入接口。
其中，所述基站射频前端的有功率通道包括第一双工器和第一天馈接口，所述有功率通道的正向功率传输线是连接到第一双工器的发射接口的传输线；或第一双工器的合路端和第一天馈接口之间的传输线。
其中，所述无功率通道包括第二双工器和第二天馈接口，所述跨通道定向耦合器的一端位于有功率通道的正向功率传输线旁，另一端连接到第二双工器的发射接口。
其中，所述无功率通道包括接收滤波器和第二天馈接口，所述基站射频前端进一步包括发射滤波器，通带为基站系统的发射频段，其一端连接到跨通道定向耦合器，另一端连接到第二天馈接口；所述跨通道定向耦合器的一端位于有功率通道的正向功率传输线旁，另一端连接到发射滤波器。
为了达到上述目的，本发明还提供了一种测量基站天馈电压驻波比的方法，其特征在于，该方法包括
A、将基站有功率通道的正向信号中的一部分，作为耦合信号耦合到基站无功率通道；B、将耦合信号的一部分耦合到无功率通道的正向功率测量接口，另一部分输出到无功率通道的天馈中；C、接收所述天馈的反射信号，将发射信号的一部分耦合到无功率通道的反向功率测量接口，另一部分用滤波器吸收；D、在所述正向功率测量接口和反向功率测量接口测量信号功率，得到正向功率和反向功率；E、根据步骤D中所得到的正向功率和反向功率，计算无功率通道天馈的电压驻波比。
其中，步骤A所述将耦合信号耦合到基站无功率通道为A1、将耦合信号进行通带为基站发射频段的带通滤波；A2、将滤波后的信号输出到基站无功率通道。
其中，步骤A所述将基站有功率通道的正向信号中的一部分，作为耦合信号耦合到基站无功率通道为将基站有功率通道的正向信号功率的十分之一，作为耦合信号耦合到基站无功率通道。
其中，在步骤D和步骤E之间进一步包括用步骤B中将耦合信号的一部分耦合到无功率通道的正向功率测量接口时的耦合度修正正向功率，用步骤C中将反射信号的一部分耦合到无功率通道的反向功率测量接口时的耦合度修正反向功率。
采用本发明所提供的技术方案，用定向耦合器从基站射频前端中有正向功率输入的有功率通道中，将一部分正向功率耦合到基站射频前端中没有正向功率输入的无功率通道，作为测量无功率通道所对应天馈的VSWR的正向功率，从而实现了对于没有正向功率输入的通道所对应天馈的VSWR的测量。与此同时，对有功率通道的基站覆盖性能的影响非常小，不影响有功率通道的正常工作。
图1是典型的基站天馈VSWR测量系统的框图；图2是带有两个双工通道的基站射频前端的框图；图3是带有一个双工通道和一个分集接收通道的基站射频前端的框图；图4是本发明提供的基站射频前端实施例一的框图；图5是本发明提供的基站射频前端实施例二的框图；图6是本发明提供的基站射频前端实施例三的框图；图7是本发明提供的基站射频前端实施例四的框图；图8是采用本发明的技术方案后在X极化天线情况下对基站覆盖的影响；图9是采用本发明的技术方案后在垂直极化天线情况下对基站覆盖的影响；图10是本发明提供的测量天馈VSWR的方法流程图。
具体实施例方式
本发明的核心思想是在基站射频前端中，利用定向耦合器，将有输入正向功率的通道中的一部分正向功率，耦合到没有输入正向功率的通道中作为输入正向功率，从而实现对没有输入正向功率的通道所对应的天馈进行VSWR测量。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步地详细描述。
请参考图4，图4是本发明提供的基站射频前端实施例一的框图。
本实施例所针对的是图2所示的情况，基站射频前端有两个双工通道。其中，第一低通滤波器、第二低通滤波器、第一双工器和第一天馈接口构成了第一双工通道，第一定向耦合器、第二定向耦合器、第一反向功率测量接口和第一正向功率测量接口构成与第一双工通道对应的第一测量通道；第三低通滤波器、第四低通滤波器、第二双工器和第二天馈接口构成了第二双工通道，第三定向耦合器、第四定向耦合器、第二反向功率测量接口和第二正向功率测量接口构成与第二双工通道对应的第二测量通道。
图中的发射信号经过第一低通滤波器和第一双工器，从第一天馈接口进入第一双工通道所对应的天馈。双工器的作用是实现接收信号与发射信号的通道共享，它分为合路端和分路端，其中合路端有一个接口，分路端至少有两个接口。双工器分路端的两个接口分别连接接收信号通道和发射信号通道，称为接收接口和发射接口；合路端的接口连接收发共用通道。低通滤波器的作用在于滤除信号中的高次谐波，以提高系统性能。从第一双工器输出的发射信号除了输出到天馈接口外，还被第一定向耦合器耦合到第一正向功率测量接口。经过第一天馈接口进入第一双工通道所对应的天馈的发射信号在天馈里发生反射，反射信号从第一天馈接口进入基站射频前端。反射信号的一部分被第二定向耦合器耦合到第一反向功率测量接口，另一部分被第一双工器所滤除。
需要说明的是，从第一天馈接口进入基站射频前端的，除了反射信号以外，还有接收信号。但是相对于反射信号，接收信号的强度非常小，小到可以忽略不计。一般来说，发射信号功率的量级为10dBm到100dBm，则反射信号功率的量级也为10dBm到100dBm，而接收信号功率的量级为-100dBm。
第五定向耦合器位于第一低通滤波器远离第一天馈接口的一端，其作用在于，将第一双工通道的发射信号的一部分耦合出来，输出到第二双工通道中作为正向功率输入接口的第三低通滤波器，作为第二双工通道的输入功率。作为一种替代方案，第五定向耦合器可以置于第一双工器与第一天馈接口之间，如图5所示。
第一低通滤波器远离第一天馈接口一端处的传输线，以及第一双工器和第一天馈接口之间的传输线，都有正向功率传输。因此，不管是位于图4所示位置，还是位于图5所示的位置，第五定向耦合器都可以看作是位于有正向功率的第一双工通道的正向功率传输线旁。由于第五定向耦合器实现了跨通道的功率耦合，因此可以将第五定向耦合器称为跨通道定向耦合器。
对于第二双工通道来说，以第五定向耦合器的输出作为正向功率，经过第三低通滤波器和第二双工器，从第二天馈接口进入第二双工通道所对应的天馈。从第二双工器输出的正向功率信号除了输出到第二天馈接口外，还被第三定向耦合器耦合到第二正向功率测量接口。经过第二天馈接口进入第二双工通道所对应的天馈的发射信号在天馈里发生反射，反射信号从第二天馈接口进入基站射频前端。反射信号的一部分被第四定向耦合器耦合到第二反向功率测量接口，另一部分被第二双工器所滤除。
从第一双工通道的发射信号中耦合一部分到第二双工通道，会减弱第一双工通道的发射能力；同时，由第五定向耦合器耦合到第二双工通道的信号，最终会通过第二双工通道对应的天馈发射出去，与第一双工通道对应的天馈所发射的信号叠加，从而在空间上影响第一双工通道对应的天馈发射出的信号。因此，第五定向耦合器的耦合度不能太小。但是，如果第五定向耦合器的耦合度过大，会使得输入第二双工通道的正向功率太小，以至于影响对第二双工通道对应天馈的VSWR测量。
综合考虑以上因素，第五定向耦合器的耦合度可以取10dB，相当于发射信号功率的十分之一被第一定向耦合器耦合到第三低通滤波器。采用如上所述的取值，如果发射信号功率为45dBm，那么第五定向耦合器耦合到第三低通滤波器的信号功率为35dBm，而输出到第一天馈接口的信号功率约为44.5dBm。
请参考图6，图6是本发明提供的基站射频前端实施例三的框图。
本实施例所针对的是图3所示的情况，基站射频前端有一个双工通道和一个分集接收通道。其中，第一低通滤波器、第二低通滤波器、双工器和第一天馈接口构成了双工通道，第一定向耦合器、第二定向耦合器、第一反向功率测量接口和第一正向功率测量接口构成与双工通道对应的第一测量通道；第五低通滤波器、接收滤波器和第二天馈接口构成了分集接收通道，第三定向耦合器、第四定向耦合器、第二反向功率测量接口和第二正向功率测量接口构成与分集接收通道对应的第二测量通道。其中，接收滤波器是带通滤波器，其通带是基站的接收频段。
为了让分集接收通道能够接受正向功率，需要将分集接收通道的接收滤波器改装成简易的双工器。具体方法是将第五定向耦合器所耦合出来的信号先输入一个发射滤波器，然后将发射滤波器的另一端也接入到第二天馈接口。发射滤波器也是带通滤波器，其通带是基站的发射频段。
第五定向耦合器位于第一低通滤波器远离第一天馈接口的一端，其作用在于，将第一双工通道的发射信号的一部分耦合出来，输出发射滤波器，作为分解接收通道的输入功率。作为一种替代方案，第五定向耦合器可以置于第一双工器与第一天馈接口之间，如图7所示。
对于第二双工通道来说，以第五定向耦合器的输出作为正向功率，经过发射滤波器，从第二天馈接口进入第二双工通道所对应的天馈。从第二双工器输出的发射信号除了输出到第二天馈接口外，还被第三定向耦合器耦合到第二正向功率测量接口。经过第二天馈接口进入分集接收通道所对应的天馈的发射信号在天馈里发生反射，反射信号从第二天馈接口进入基站射频前端。反射信号的一部分被第四定向耦合器耦合到第二反向功率测量接口，另一部分被接收滤波器所滤除。
由第五定向耦合器耦合到分集接收通道的信号，最终会通过分集接收通道对应的天馈发射出去，与双工通道对应的天馈所发射的信号叠加，从而在空间上影响双工通道对应的天馈发射出的信号。
图4到图7所示的基站射频前端，将待测天馈对应通道的正向功率测量接口和反向功率测量接口分别连接到测量板的测量模块，就可以组成测量基站天馈VSWR的系统，对待测天馈进行测量。
如前所述，如果第五定向耦合器的耦合度为10dB，发射信号功率为45dBm，那么输出到第一天馈接口的信号功率约为44.5dBm，由第五定向耦合器耦合到第二双工通道或分集接收通道的信号功率为35dBm。在这种情况下，通过仿真，如果所有通道都采用X极化天线，信号叠加对基站覆盖的影响如图8所示；如果所有通道都采用垂直极化天线，信号叠加对基站覆盖的影响如图9所示。
图8(a)是没有信号叠加时基站覆盖的示意图，图8(b)是两个相位差180°的信号叠加时基站覆盖的示意图，图8(c)是两个相位差135°的信号叠加时基站覆盖的示意图，图8(d)是两个相位差90°的信号叠加时基站覆盖的示意图，图8(e)是两个相位差45°的信号叠加时基站覆盖的示意图，图8(f)是两个相位差0°的信号叠加时基站覆盖的示意图。这里的两个信号，分别就是第一双工通道和第二双工通道的天线所发射的信号，或者是双工通道和分集接收通道的天线所发射的信号。两个信号的功率分别是35dBm和44.5dBm。在实际情况下，两个信号之间的相位差是随机的，在仿真时只取了一些值以说明情况。
从图8可以看出，信号叠加对基站覆盖的影响可以忽略不计。
图9中，比较光滑的曲线是没有信号叠加时基站覆盖的示意图，比较曲折的曲线是两个功率分别是35dBm和44.5dBm的信号叠加后基站覆盖的示意图。可以看出，信号叠加对基站覆盖的影响主要在于对光滑度的影响。光滑度除了取决于叠加的两个信号的相对功率大小，还取决于两个天线之间的距离，在得到图9所示的仿真结果时，假设天线间距为10倍波长。可以看出，在这种情况下，信号叠加对基站覆盖范围的影响也是很小的。
请参考图10，图10是本发明提供的测量天馈VSWR的方法流程图，该方法包括步骤101将有功率通道的正向信号中的一部分，作为耦合信号，耦合到无功率通道。
为了使有功率通道在正向信号的一部分被耦合到无功率通道以后，仍然可以正常工作，应该仅仅将有功率通道正向信号的一小部分，例如十分之一耦合到无功率通道。
如果无功率通道是基站的分集接收通道，那么需要将耦合信号经过通带为基站发射频段的带通滤波器后，再输入到无功率通道。
步骤102将耦合信号的一部分耦合到无功率通道的正向功率测量接口，另一部分输出到无功率通道的天馈中。
步骤103接收无功率通道天馈的反射信号，将天馈反射信号的一部分耦合到无功率通道的反向功率测量接口，另一部分用滤波器吸收。
此处所说的滤波器是带通滤波器，其通带为基站系统的接收频段。由于有功率通道的正向信号的频谱位于基站系统的发射频段，从而耦合信号的频谱和天馈反射信号的频谱都位于基站系统的发射频段，这样反射信号中未被耦合到反向功率测量接口的部分就可以被滤波器所吸收。
步骤104分别测量正向功率测量接口和反向功率测量接口处的功率。
步骤105根据测量结果计算天馈VSWR。
在计算天馈VSWR时，需要首先计算天馈的反射损耗RL。如果步骤102中耦合到无功率通道的正向功率测量接口的信号功率占耦合信号功率的比例，与步骤103中耦合到无功率通道的反向功率测量接口的信号功率占反射信号功率的比例相同，假设在正向功率测量接口测量到的正向功率为P1，在反向功率测量接口测量到的反向功率为P2，天馈的反射损耗为RL，则正向功率P1、反向功率P2、天馈反射损耗RL之间有如下关系|RL|＝|P2-P1|如果上述比例不相等，那么在计算反射损耗RL之前，需要用步骤102和步骤103中耦合信号时耦合度对上述公式计算出的天馈反射损耗RL进行修正。假设步骤102中耦合信号时的耦合度为C1，步骤103中耦合信号时的耦合度为C2，在正向功率测量接口测量到的正向功率为P1，在反向功率测量接口测量到的反向功率为P2，修正后的正向功率为P1′＝P1+|C1|修正后的反向功率为P2′＝P2+|C2|天馈的反射损耗RL为|RL|＝|P1′-P2′|＝|(P1+|C1|)-(P2+|C2|)|
其中，功率的单位是dBm，耦合度用dB表示，反射损耗用dB表示。而天馈的电压反射系数Г可以由天馈反射损耗RL得到|Г|＝10-|RL|/20也就是说，Г的绝对值是一个大于0小于等于1的正数。最后，天馈的VSWR由天馈的电压反射系数得到VSWR=1+|Γ|1-|Γ|]]>总之，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种基站射频前端，包括有功率通道、无功率通道，其特征在于，该基站射频前端进一步包括跨通道定向耦合器，用于将有功率通道正向功率的一部分耦合到无功率通道，其一端位于有功率通道的正向功率传输线旁，另一端连接到无功率通道的正向功率输入接口。
2.根据权利要求1所述的基站射频前端，所述有功率通道包括第一双工器和第一天馈接口，其特征在于，所述有功率通道的正向功率传输线是连接到第一双工器的发射接口的传输线；或第一双工器的合路端和第一天馈接口之间的传输线。
3.根据权利要求1或2所述的基站射频前端，其特征在于，所述无功率通道包括第二双工器和第二天馈接口，所述跨通道定向耦合器的一端位于有功率通道的正向功率传输线旁，另一端连接到第二双工器的发射接口。
4.根据权利要求1或2所述的基站射频前端，其特征在于，所述无功率通道包括接收滤波器和第二天馈接口，该基站射频前端进一步包括发射滤波器，通带为基站系统的发射频段，其一端连接到跨通道定向耦合器，另一端连接到第二天馈接口；所述跨通道定向耦合器的一端位于有功率通道的正向功率传输线旁，另一端连接到发射滤波器。
5.根据权利要求1所述的测量基站天馈电压驻波比的装置，其特征在于，所述跨通道耦合器是10dB耦合器。
6.一种测量基站天馈电压驻波比的系统，包括基站射频前端和电压驻波比测量板，其中基站射频前端包括有功率通道、无功率通道、与有功率通道对应的第一测量通道、与无功率通道对应的第二测量通道，电压驻波比测量板与第一测量通道，和/或，第二测量通道相连，其特征在于，所述基站射频前端进一步包括跨通道定向耦合器，用于将基站射频前端有功率通道正向功率的一部分耦合到无功率通道，其一端位于有功率通道的正向功率传输线旁，另一端连接到无功率通道的正向功率输入接口。
7.根据权利要求6所述的测量基站天馈电压驻波比的系统，所述基站射频前端的有功率通道包括第一双工器和第一天馈接口，其特征在于，所述有功率通道的正向功率传输线是连接到第一双工器的发射接口的传输线；或第一双工器的合路端和第一天馈接口之间的传输线。
8.根据权利要求6或7所述的测量基站天馈电压驻波比的系统，其特征在于，所述无功率通道包括第二双工器和第二天馈接口，所述跨通道定向耦合器的一端位于有功率通道的正向功率传输线旁，另一端连接到第二双工器的发射接口。
9.根据权利要求6或7所述的测量基站天馈电压驻波比的系统，其特征在于，所述无功率通道包括接收滤波器和第二天馈接口，所述基站射频前端进一步包括发射滤波器，通带为基站系统的发射频段，其一端连接到跨通道定向耦合器，另一端连接到第二天馈接口；所述跨通道定向耦合器的一端位于有功率通道的正向功率传输线旁，另一端连接到发射滤波器。
10.一种测量基站天馈电压驻波比的方法，其特征在于，该方法包括A、将基站有功率通道的正向信号中的一部分，作为耦合信号耦合到基站无功率通道；B、将耦合信号的一部分耦合到无功率通道的正向功率测量接口，另一部分输出到无功率通道的天馈中；C、接收所述天馈的反射信号，将发射信号的一部分耦合到无功率通道的反向功率测量接口，另一部分用滤波器吸收；D、在所述正向功率测量接口和反向功率测量接口测量信号功率，得到正向功率和反向功率；E、根据步骤D中所得到的正向功率和反向功率，计算无功率通道天馈的电压驻波比。
11.根据权利要求10所述的测量基站天馈电压驻波比的方法，其特征在于，步骤A所述将耦合信号耦合到基站无功率通道为A1、将耦合信号进行通带为基站发射频段的带通滤波；A2、将滤波后的信号输出到基站无功率通道。
12.根据权利要求11所述的测量基站天馈电压驻波比的方法，其特征在于，步骤A所述将基站有功率通道的正向信号中的一部分，作为耦合信号耦合到基站无功率通道为将基站有功率通道的正向信号功率的十分之一，作为耦合信号耦合到基站无功率通道。
13.根据权利要求11所述的测量基站天馈电压驻波比的方法，其特征在于，在步骤D和步骤E之间进一步包括用步骤B中将耦合信号的一部分耦合到无功率通道的正向功率测量接口时的耦合度修正正向功率，用步骤C中将反射信号的一部分耦合到无功率通道的反向功率测量接口时的耦合度修正反向功率。
全文摘要
本发明公开了一种基站射频前端，包括有功率通道、无功率通道，该基站射频前端进一步包括跨通道定向耦合器，用于将有功率通道正向功率的一部分耦合到无功率通道，其一端位于有功率通道的正向功率传输线旁，另一端连接到无功率通道的正向功率输入接口。本发明还公开了使用该基站射频前端测量天馈电压驻波比的系统和方法。采用本发明所公开的技术方案，可以实现了对于没有正向功率输入的通道所对应天馈的VSWR的测量。与此同时，对有功率通道的基站覆盖性能的影响非常小，不影响有功率通道的正常工作。
文档编号G01R27/04GK1983882SQ20061007581
公开日2007年6月20日 申请日期2006年4月18日 优先权日2006年4月18日
发明者艾鸣 申请人:华为技术有限公司