射頻無源器件的介紹和對無線通信的影響詳細說明

1、 引言

無線通信經(jīng)過幾十年的快速發(fā)展已經(jīng)成為人們生活中不可或缺的重要通信手段。近年來伴隨城市建設，用戶的激增和業(yè)務的多元化，傳統(tǒng)的廣域覆蓋模式已經(jīng)不能滿足用戶的需求。城市建設中大量樓堂館所的興建，鋼筋混凝土建筑的大量興起使得無線信號傳播受到嚴重阻礙，地鐵、地下通道和地下停車場等地下建筑空間也是無線覆蓋盲區(qū)，用戶在建筑物內(nèi)使用移動通信業(yè)務受到嚴重制約，運營商為改善用戶體驗提高服務質(zhì)量和自身競爭力，著力加大網(wǎng)絡建設和優(yōu)化力度。通過興建大量基站和進行信號室內(nèi)分布來解決室內(nèi)覆蓋問題，以達到提供無縫覆蓋，為用戶提供高效可持續(xù)無盲點的無線網(wǎng)絡服務。

射頻無源器件主要應用于無線通信系統(tǒng)基站建設和室內(nèi)分布系統(tǒng)中。特別是在建筑物內(nèi)的無 線信號室內(nèi)分布覆蓋中應用種類繁多，數(shù)量龐大。射頻無源器件在基站建設和室內(nèi)分布工程中起到連接或分配射頻信號的作用。室內(nèi)分布系統(tǒng)是將基站發(fā)射的信號通過射頻無源器件進行連接或分路，經(jīng)由饋線分散到各覆蓋點天線處，從而達到室內(nèi)無線信號連續(xù)良好的覆蓋。

室內(nèi)分布系統(tǒng)主要包括信源和天饋分布系統(tǒng)兩部分。無源器件是天饋系統(tǒng)的主要組成部分。

典型天饋系統(tǒng)拓撲如圖 1 所示。

圖 1 典型天饋系統(tǒng)拓撲圖

多種制式的射頻信號由各基站發(fā)出后經(jīng)由多頻合路器或電橋等具有合路功能的無源器件合路后通過線纜傳送到建筑物各處分布的吸頂天線或壁掛天線，由天線發(fā)射出去進行覆蓋。合路后的信號也可經(jīng)由耦合器，通過耦合器耦合出一部分信號直接覆蓋。另外，由于多級級聯(lián)因使用較多的無源器件插入各器件的插入損耗累加會對信號產(chǎn)生較大衰減，或進行較遠距離傳輸射頻信號會在電纜傳送的過程中產(chǎn)生較大的衰減，可將合路后的信號接入多頻合路器的輸出端口(即反向使用腔體多頻合路器)作為功分器使用，信號經(jīng)過多頻合路器濾波后，由多頻合路器的輸入端口輸出，由于各端口的帶通濾波特性，各端口僅輸出該端口工作頻段帶內(nèi)的信號，這些信號可傳送到各制式專門的直放站進行放大后再輸出后合路再覆蓋，以 補償信號在鏈路上的損耗和衰減，最終滿足鏈路預算設計各項參數(shù)，以保證各點的覆蓋效果。

無線射頻信號從信源發(fā)射出來通過電纜傳輸?shù)礁鱾€天線口，是一個信號合路、傳送、分配的過程。射頻無源器件在無線通信工程中主要起到連接路由或分配調(diào)控的作用，因此射頻無源器件按照在工程中的應用主要分為連接路由型和分配調(diào)控型。連接路由型是指為射頻信號提供連續(xù)的傳輸路徑，是將射頻信號的通路連接起來或者將多路射頻信號進行合路再傳輸。目前，無線通信工程中常用的射頻無源器件有功分器、耦合器、衰減器、濾波器、合路器、負載、電橋和雙工器等。連接路由型射頻無源器件主要包括合路器、電橋等。分配調(diào)控是指將一路信號等分成多路或分成不同頻段不同大小的射頻信號，以滿足設計施工要求。分配調(diào)控型器件主要包括功分器、耦合器、濾波器等。當然，分配調(diào)控型器件也是可以起到連同信號的作用，但是之所以將兩者區(qū)分開來，是因為在工程上主要是通過后者對無線射頻信號的大小或頻段的改變的特點來滿足設計和施工的要求。如利用不同耦合度的耦合器改變耦合端口輸出信號大小來滿足覆蓋要求，或利用雙工器、濾波器將上下行或不同頻段的信號分離出來。

3 、射頻無源器件應用對無線通信的影響

射頻無源器件質(zhì)量對網(wǎng)絡質(zhì)量和用戶體驗產(chǎn)生極大的影響。目前，我國有中國電信、中國移動和中國聯(lián)通三大運營商，運營的無線通信制式包括 GSM、CDMA、TD-SCDMA、cdma2000、WCDMA、LTE 和 PHS,以及無線局域網(wǎng) WLAN 等，近年來出于節(jié)約成本減少重復建設的目的，越來越多的室內(nèi)分布系統(tǒng)采用多系統(tǒng)合路共用室分系統(tǒng)的模式，多系統(tǒng)、多頻段的信號，以公共合路平臺共用室內(nèi)分布系統(tǒng)的方式進行融合，實現(xiàn)多頻段、多系統(tǒng)合路單向或者雙向傳輸。這樣的好處是減少重復基礎設施建設，節(jié)約空間，但是多系統(tǒng)共站址共室內(nèi)分布系統(tǒng)帶來的問題越來越突出，多系統(tǒng)共存不可避免地引入系統(tǒng)間干擾，特別是工作頻段相近中間隔保護頻帶較小的情況下，不同制式之間雜散和互調(diào)產(chǎn)物的影響。在這種情況下，良好品質(zhì)的無源器件則會減輕這種干擾帶來的影響，不良的器件則會引起或加深這種影響。射頻無源器件自身質(zhì)量欠佳也會導致一些網(wǎng)絡指標的下降，而質(zhì)量優(yōu)良的器件會對網(wǎng)絡質(zhì)量產(chǎn)生積極的作用，對抑制雜散、干擾和阻塞的發(fā)生有積極的作用。復雜環(huán)境下多制式共存室分系統(tǒng)對無源器件的技術指標和性能參數(shù)的要求提升到了一個新的高度。

目前，無線網(wǎng)絡中主要干擾類型分為系統(tǒng)內(nèi)干擾和系統(tǒng)間干擾。具體體現(xiàn)主要是發(fā)射機雜散、接收機阻塞和互調(diào)干擾。

系統(tǒng)內(nèi)的雜散干擾是指發(fā)射頻段的雜散落入接收頻段導致的系統(tǒng)自身的干擾。

系統(tǒng)間的雜散干擾就是一個系統(tǒng)的發(fā)射頻段外的雜散落入到了另一個系統(tǒng)的接收頻段內(nèi)而造成的干擾，雜散干擾對系統(tǒng)最直接的一個影響就是降低了系統(tǒng)的接收靈敏度。

阻塞干擾是各系統(tǒng)信號和其工作頻率的組合成分，落在各自系統(tǒng)自身或其它系統(tǒng)中接收機所接收的信道帶寬之外，卻仍然能進入該基站接收機，當此干擾導致接收機飽和時候，就會引起接收機無法正常接收正常工作頻帶內(nèi)的信號，使接收機靈敏度性能惡化。

由于射頻無源器件和功放電路等非線性的元器件的存在，兩路或兩路以上信號作用于非線性器件上會產(chǎn)生新的頻率信號即互調(diào)產(chǎn)物，這種信號對正常通信的干擾就是互調(diào)干擾。無線通信系統(tǒng)中 有源互調(diào)和無源互調(diào)兩類，有源互調(diào)是由發(fā)射機發(fā)射兩個及以上載波時產(chǎn)生的，無源互調(diào)是由于無源器件，射頻連接鏈路中不良的機械結(jié)點、射頻器件的材料具有磁滯現(xiàn)象、射頻通道中的表面或接觸面受到污染和不同材料的連接處的具有非線性的特點等導致產(chǎn)生的互調(diào)產(chǎn)物，無源互調(diào)產(chǎn)物如落入上行接收頻段，由于終端發(fā)射信號強度較小，落入上行的互調(diào)產(chǎn)物會對基站接收靈敏度產(chǎn)生不利影響。

上述這些干擾是我們在工程實踐中不愿遇到但是又很難避免的問題，無源器件在室內(nèi)分布系統(tǒng)中起到連接、多系統(tǒng)合路或分配的作用，在這個過程中選取適當規(guī)格與參數(shù)的無源器件或減輕、或避免干擾造成的影響，而不當?shù)厥褂脽o源器件或器件規(guī)格不符或性能不達標則會產(chǎn)生或加劇干擾。我國目前主要移動通信所占用頻率劃分參見表 1。

若基站產(chǎn)生兩載波信號，頻率分別 為 f1 和 f2,則三階互調(diào)產(chǎn)物頻率為 F3,五階互調(diào)產(chǎn)物為 F5,即：

F3=2f1- f2 和 F3=2f2- f1

F5=3f1- 2f2 和 F5=3f1- 2f2

將各制式發(fā)射頻段頻率最低和最高邊緣頻率代入上述公式，則可得出各發(fā)射頻段產(chǎn)生互調(diào)產(chǎn)物頻率。通過計算可知這些互調(diào)產(chǎn)物的頻率有可能落在系統(tǒng)本身的上行頻段造成自身干擾，也有落入其它系統(tǒng)上行頻段造成系統(tǒng)間干擾，另外信號的倍頻和諧波也有可能造成干擾。系統(tǒng)內(nèi)和系統(tǒng)之間干擾是普遍存在的，特別是在多制式共用室內(nèi)分布系統(tǒng)中這種干擾更為普遍，因此在無源器件的選擇上特別是起到合路作用的器件應特別注意。

射頻無源器件性能參數(shù)主要包括工作頻段、插入損耗、輸入輸出駐波、端口隔離度、帶內(nèi)波動、帶外抑制、互調(diào)產(chǎn)物和功率容量等。根據(jù)現(xiàn)網(wǎng)情況和測試情況，無源器件是影響現(xiàn)網(wǎng)的關鍵性因素。

關鍵性因素主要包括：

●端口隔離度

隔離度不好會造成各制式之間干擾，傳導雜散和多載波互調(diào)產(chǎn)物對終端上行信號干擾。

●輸入輸出駐波

無源器件駐波比較大的情況下，反射信號變大，極端情況基站駐波告警，損壞射頻元件和功放。

●帶外抑制

帶外抑制不好會加大系統(tǒng)間干擾，良好的帶外抑制能力和良好的端口隔離度一樣有助于減輕系統(tǒng)間串擾。

●互調(diào)產(chǎn)物

較大的互調(diào)產(chǎn)物會落入上行頻段，會導致接收機性能惡化。

●功率容量

多載波、大功率輸出、大峰均比信號條件下功率容量不足會導致容易出現(xiàn)底噪抬升，出現(xiàn)無法呼通或掉話等網(wǎng)絡質(zhì)量嚴重下降情況，會引起飛弧和打火情況，極端情況會擊穿燒毀導致網(wǎng)絡癱瘓造成不可逆的損失。

●器件加工工藝與材質(zhì)

材質(zhì)和加工工藝不過關直接導致器件各項參數(shù)性能下降，同時器件耐久性和環(huán)境適應性大大降低。

一般性因素主要包括：

●插入損耗

插入損耗過大會使信號在鏈路上損失較多的能量影響覆蓋范圍，同時增加直放站又會引入新的干擾，而一味提高基站發(fā)射功率又不環(huán)保，而且超出功放線最優(yōu)線性工作區(qū)間時發(fā)射機信號質(zhì)量會惡化，會影響室內(nèi)分布設計預期的實現(xiàn)。

●帶內(nèi)波動

帶內(nèi)波動較大會導致帶內(nèi)信號平坦度不好，當帶內(nèi)有多載波時候會覆蓋影響，會影響室內(nèi)分布設計預期的實現(xiàn)。

●工作頻段。

(1)合路功能射頻無源器件對網(wǎng)絡的影響

室內(nèi)分布中主要使用 3dB 電橋和多頻合路器進行合路。

3dB 電橋在室分系統(tǒng)中一般采用兩種方式的連接，即同基站雙極化兩扇區(qū)不同載波合路方式或兩基站同頻段多載波的合路連接方式。由于目前 3dB 電橋隔離度指標要求定在 25dB,一般不超過 30dB,致使兩個合路端口的載波信號互為干擾。這種連接方式，會使基站產(chǎn)生互調(diào)，如增大相互之間的隔離度，會使其影響降至最低。

由于無源器件非線性會導致互調(diào)產(chǎn)物，同時當網(wǎng)絡饋送的載波數(shù)量增多時，這種干擾會加劇，以致被干擾頻段的低噪抬高。在這種情況下，多頻合路器要優(yōu)選于 3dB 電橋，因為 3dB 電橋兩端口隔離度一般只有 25~30dB,而現(xiàn)網(wǎng)使用的多頻合路器端口之間隔離度至少要達到 80dB,因此在多個制式多載波基站合路時候是應該首選多頻合路器的，因為較大的端口隔離度會抑制端口之間的互調(diào)及雜散串擾。

在使用合路功能的無源器件的時候，首先要考慮其端口隔離和帶外抑制的問題，在理論上存在合路信源相互間干擾的情況下，應遵循選取的器件確保有效的隔離度和良好的帶外抑制能力。同時，合路信號存在較大功率的情況，要保證選取功率容量足夠的腔體器件，否則會引起擊穿或短路，同時要確保器件的材質(zhì)制造工藝如焊接、連接、電鍍等方面滿足要求，避免打火飛弧現(xiàn)象的發(fā)生。

目前，運營商在大型建筑的室內(nèi)分布工程較為廣泛使用多系統(tǒng)接入平臺(POI,Point of Interface)，它的主要功能是將各基站不同頻段的載頻信號合成送至共用的天饋分布系統(tǒng)，主要由寬頻帶的橋路合路器、多頻段合路器、負載等無源器件組成。利用 POI 采用前級合路上下行天饋系統(tǒng)分開的模式，這樣就可以在一定程度上避免下行對上行的干擾。

(2)分配功能射頻無源器件對網(wǎng)絡質(zhì)量的影響

分配器件主要起到功率分配和頻率分配的作用，主要包括功分器、耦合器，電橋和多頻合路器也可作為分配器件使用。

分配器件一般直接與基站連接，直接與基站相接的器件應考慮器件的類別和材質(zhì)工藝的要求，耐功率程度和互調(diào)指標和隔離度是關鍵選擇的重要指標。避免使用較小功率的耦合器和功分器。器件功率容量不足回導致打火，會導致?lián)舸┗驘龤Вv波較大會增大反射信號，過大的反射信號會對信源的功放造成損害。

(3)射頻無源器件的設計與制造對應用的影響

現(xiàn)網(wǎng)中使用的無源器件按照設計制造原理和生產(chǎn)工藝來區(qū)分，可分為腔體和微帶兩種類型。腔體器件主要包括腔體功分器、腔體耦合器、腔體濾波器、腔體合路器和腔體電橋等;微帶器件主要包括微帶功分器、微帶耦合器和微帶電橋等。腔體器件體積普遍大于微帶類器件，同時腔體器件的加工工藝和制造難度要大于微帶器件，成本也高于微帶器件。但是腔體器件插入損耗小、使用壽命長、同時功率容量大，特別是耐功率性能要好于微帶器件，目前條件下運營商現(xiàn)網(wǎng)大多傾向采用腔體無源器件。

無源器件按照接口類型分類主要有 N、BNC、SMA、TNC、DIN7-16 型等，同時絕大多數(shù)接口也有極性之分，即分為 Male 陽頭和 Female 陰頭。由于 N 型和 DIN7-16 型接口，使用螺紋鎖緊連接非常堅固可靠，防護等級高、氣候耐受性好并且互調(diào)性能較好，DIN7-16 型特別適用于大功率和戶外應用。這兩種系列連接器在無線通信工程建設中使用最為廣泛。

無線通信中無源器件與有源設備相比種類相對較少，結(jié)構(gòu)簡單，無源器件制造技術和工藝門檻較低，但是無源器件質(zhì)量優(yōu)劣直接影響網(wǎng)絡質(zhì)量和運營的穩(wěn)定程度。由于計算機輔助設計軟件的興起，無源器件原理設計和參數(shù)定制趨于規(guī)范化和程序化，因此在設計方面器件廠商不存在瓶頸，而是由于降低成本或生產(chǎn)能力方面的因素，在選材和加工工藝方面的不當和欠缺是導致無源器件性能指標無法達到設計要求的重要原因。

影響無源器件產(chǎn)品質(zhì)量的主要因素包括設計、選材與加工工藝等方面。設計上要精確，材料選取上要符合工程器件要求，加工工藝上要能夠保證實現(xiàn)設計的精度要求并保證產(chǎn)品穩(wěn)定可靠。

加工工藝上首先要保證加工精度。腔體表面潔凈對器件整體性能有較大影響，毛刺尖角會導致飛弧噪聲和互調(diào)較差。器件加工要在放水、防腐、防塵等方面采取積極有效的措施，充分考慮到實際網(wǎng)絡的工作環(huán)境。如在腔體器件加工是采用數(shù)控銑床加工或一次壓鑄成型，連接緊固螺絲采用防銹金屬，器件表面防腐處理同時采用導電密封膠進行密封等。優(yōu)質(zhì)大功率一般內(nèi)導體與內(nèi)芯一體化完成，采用 DIN 或 N 型接頭，采用腔體空氣結(jié)構(gòu)，腔體采用鋁合金一次壓鑄成型，先鍍銅后鍍銀處理，密封無縫隙，表面光滑。接頭外導體采用黃銅或三元合金并鍍鎳，內(nèi)芯采用延展性好的鈹青銅鍍銀處理。

4、 結(jié)束語

無源器件的應用范圍應與其類型與規(guī)格參數(shù)相適應。每種器件有各自的功能和規(guī)格參數(shù)，在使用中應注重工作頻段及室內(nèi)分布鏈路設計時對各部分參數(shù)的限制。每類器件都有各自的應用場景，同時各類器件功能特性規(guī)格參數(shù)各不相同，在使用時也是需要充分考慮，盡量避免無源器件對網(wǎng)絡產(chǎn)生不利影響。