射頻無(wú)源器件的設(shè)計(jì)與對(duì)無(wú)線通信造成影響的原因

1 引言

無(wú)線通信經(jīng)過(guò)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(lái)伴隨城市建設(shè)，用戶的激增和業(yè)務(wù)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(shè)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(wú)線信號(hào)傳播受到嚴(yán)重阻礙，地鐵、地下通道和地下停車場(chǎng)等地下建筑空間也是無(wú)線覆蓋盲區(qū)，用戶在建筑物內(nèi)使用移動(dòng)通信業(yè)務(wù)受到嚴(yán)重制約，運(yùn)營(yíng)商為改善用戶體驗(yàn)提高服務(wù)質(zhì)量和自身競(jìng)爭(zhēng)力，著力加大網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和優(yōu)化力度。通過(guò)興建大量基站和進(jìn)行信號(hào)室內(nèi)分布來(lái)解決室內(nèi)覆蓋問(wèn)題，以達(dá)到提供無(wú)縫覆蓋，為用戶提供高效可持續(xù)無(wú)盲點(diǎn)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

2 射頻無(wú)源器件應(yīng)用

射頻無(wú)源器件主要應(yīng)用于無(wú)線通信系統(tǒng)基站建設(shè)和室內(nèi)分布系統(tǒng)中。特別是在建筑物內(nèi)的無(wú) 線信號(hào)室內(nèi)分布覆蓋中應(yīng)用種類繁多，數(shù)量龐大。射頻無(wú)源器件在基站建設(shè)和室內(nèi)分布工程中起到連接或分配射頻信號(hào)的作用。室內(nèi)分布系統(tǒng)是將基站發(fā)射的信號(hào)通過(guò)射頻無(wú)源器件進(jìn)行連接或分路，經(jīng)由饋線分散到各覆蓋點(diǎn)天線處，從而達(dá)到室內(nèi)無(wú)線信號(hào)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(wú)源器件是天饋系統(tǒng)的主要組成部分。

典型天饋系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D1 所示。

圖1 典型天饋系統(tǒng)拓?fù)鋱D

多種制式的射頻信號(hào)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(wú)源器件合路后通過(guò)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(jìn)行覆蓋。合路后的信號(hào)也可經(jīng)由耦合器，通過(guò)耦合器耦合出一部分信號(hào)直接覆蓋。另外，由于多級(jí)級(jí)聯(lián)因使用較多的無(wú)源器件插入各器件的插入損耗累加會(huì)對(duì)信號(hào)產(chǎn)生較大衰減，或進(jìn)行較遠(yuǎn)距離傳輸射頻信號(hào)會(huì)在電纜傳送的過(guò)程中產(chǎn)生較大的衰減，可將合路后的信號(hào)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(hào)經(jīng)過(guò)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(hào)，這些信號(hào)可傳送到各制式專門的直放站進(jìn)行放大后再輸出后合路再覆蓋，以 補(bǔ)償信號(hào)在鏈路上的損耗和衰減，最終滿足鏈路預(yù)算設(shè)計(jì)各項(xiàng)參數(shù)，以保證各點(diǎn)的覆蓋效果。

無(wú)線射頻信號(hào)從信源發(fā)射出來(lái)通過(guò)電纜傳輸?shù)礁鱾€(gè)天線口，是一個(gè)信號(hào)合路、傳送、分配的過(guò)程。射頻無(wú)源器件在無(wú)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(wú)源器件按照在工程中的應(yīng)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(hào)提供連續(xù)的傳輸路徑，是將射頻信號(hào)的通路連接起來(lái)或者將多路射頻信號(hào)進(jìn)行合路再傳輸。目前，無(wú)線通信工程中常用的射頻無(wú)源器件有功分器、耦合器、衰減器、濾波器、合路器、負(fù)載、電橋和雙工器等。連接路由型射頻無(wú)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(hào)等分成多路或分成不同頻段不同大小的射頻信號(hào)，以滿足設(shè)計(jì)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(dāng)然，分配調(diào)控型器件也是可以起到連同信號(hào)的作用，但是之所以將兩者區(qū)分開來(lái)，是因?yàn)樵诠こ躺现饕峭ㄟ^(guò)后者對(duì)無(wú)線射頻信號(hào)的大小或頻段的改變的特點(diǎn)來(lái)滿足設(shè)計(jì)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(hào)大小來(lái)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(hào)分離出來(lái)。

3 射頻無(wú)源器件應(yīng)用對(duì)無(wú)線通信的影響

射頻無(wú)源器件質(zhì)量對(duì)網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量和用戶體驗(yàn)產(chǎn)生極大的影響。目前，我國(guó)有中國(guó)電信、中國(guó)移動(dòng)和中國(guó)聯(lián)通三大運(yùn)營(yíng)商，運(yùn)營(yíng)的無(wú)線通信制式包括GSM、CDMA、TD-SCDMA、cdma2000、WCDMA、LTE 和PHS,以及無(wú)線局域網(wǎng)WLAN等，近年來(lái)出于節(jié)約成本減少重復(fù)建設(shè)的目的，越來(lái)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(hào)，以公共合路平臺(tái)共用室內(nèi)分布系統(tǒng)的方式進(jìn)行融合，實(shí)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(fù)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，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(lái)的問(wèn)題越來(lái)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(hù)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(wú)源器件則會(huì)減輕這種干擾帶來(lái)的影響，不良的器件則會(huì)引起或加深這種影響。射頻無(wú)源器件自身質(zhì)量欠佳也會(huì)導(dǎo)致一些網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)的下降，而質(zhì)量?jī)?yōu)良的器件會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量產(chǎn)生積極的作用，對(duì)抑制雜散、干擾和阻塞的發(fā)生有積極的作用。復(fù)雜環(huán)境下多制式共存室分系統(tǒng)對(duì)無(wú)源器件的技術(shù)指標(biāo)和性能參數(shù)的要求提升到了一個(gè)新的高度。

目前，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)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(jī)雜散、接收機(jī)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(dǎo)致的系統(tǒng)自身的干擾。

系統(tǒng)間的雜散干擾就是一個(gè)系統(tǒng)的發(fā)射頻段外的雜散落入到了另一個(gè)系統(tǒng)的接收頻段內(nèi)而造成的干擾，雜散干擾對(duì)系統(tǒng)最直接的一個(gè)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(hào)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(jī)所接收的信道帶寬之外，卻仍然能進(jìn)入該基站接收機(jī)，當(dāng)此干擾導(dǎo)致接收機(jī)飽和時(shí)候，就會(huì)引起接收機(jī)無(wú)法正常接收正常工作頻帶內(nèi)的信號(hào)，使接收機(jī)靈敏度性能惡化。

由于射頻無(wú)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(hào)作用于非線性器件上會(huì)產(chǎn)生新的頻率信號(hào)即互調(diào)產(chǎn)物，這種信號(hào)對(duì)正常通信的干擾就是互調(diào)干擾。無(wú)線通信系統(tǒng)中 有源互調(diào)和無(wú)源互調(diào)兩類，有源互調(diào)是由發(fā)射機(jī)發(fā)射兩個(gè)及以上載波時(shí)產(chǎn)生的，無(wú)源互調(diào)是由于無(wú)源器件，射頻連接鏈路中不良的機(jī)械結(jié)點(diǎn)、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(diǎn)等導(dǎo)致產(chǎn)生的互調(diào)產(chǎn)物，無(wú)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(hào)強(qiáng)度較小，落入上行的互調(diào)產(chǎn)物會(huì)對(duì)基站接收靈敏度產(chǎn)生不利影響。

上述這些干擾是我們?cè)诠こ虒?shí)踐中不愿遇到但是又很難避免的問(wèn)題，無(wú)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(gè)過(guò)程中選取適當(dāng)規(guī)格與參數(shù)的無(wú)源器件或減輕、或避免干擾造成的影響，而不當(dāng)?shù)厥褂脽o(wú)源器件或器件規(guī)格不符或性能不達(dá)標(biāo)則會(huì)產(chǎn)生或加劇干擾。我國(guó)目前主要移動(dòng)通信所占用頻率劃分參見表1。

若基站產(chǎn)生兩載波信號(hào)，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(guò)計(jì)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(hào)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(wú)源器件的選擇上特別是起到合路作用的器件應(yīng)特別注意。

射頻無(wú)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(dòng)、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(cè)試情況，無(wú)源器件是影響現(xiàn)網(wǎng)的關(guān)鍵性因素。

關(guān)鍵性因素主要包括：

●端口隔離度

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

●輸入輸出駐波

無(wú)源器件駐波比較大的情況下，反射信號(hào)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(huì)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?dāng)_。

●互調(diào)產(chǎn)物

較大的互調(diào)產(chǎn)物會(huì)落入上行頻段，會(huì)導(dǎo)致接收機(jī)性能惡化。

●功率容量

多載波、大功率輸出、大峰均比信號(hào)條件下功率容量不足會(huì)導(dǎo)致容易出現(xiàn)底噪抬升，出現(xiàn)無(wú)法呼通或掉話等網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量嚴(yán)重下降情況，會(huì)引起飛弧和打火情況，極端情況會(huì)擊穿燒毀導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)癱瘓?jiān)斐刹豢赡娴膿p失。

●器件加工工藝與材質(zhì)

材質(zhì)和加工工藝不過(guò)關(guān)直接導(dǎo)致器件各項(xiàng)參數(shù)性能下降，同時(shí)器件耐久性和環(huán)境適應(yīng)性大大降低。

一般性因素主要包括：

●插入損耗

插入損耗過(guò)大會(huì)使信號(hào)在鏈路上損失較多的能量影響覆蓋范圍，同時(shí)增加直放站又會(huì)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(shí)發(fā)射機(jī)信號(hào)質(zhì)量會(huì)惡化，會(huì)影響室內(nèi)分布設(shè)計(jì)預(yù)期的實(shí)現(xiàn)。

●帶內(nèi)波動(dòng)

帶內(nèi)波動(dòng)較大會(huì)導(dǎo)致帶內(nèi)信號(hào)平坦度不好，當(dāng)帶內(nèi)有多載波時(shí)候會(huì)覆蓋影響，會(huì)影響室內(nèi)分布設(shè)計(jì)預(yù)期的實(shí)現(xiàn)。

●工作頻段。

（1）合路功能射頻無(wú)源器件對(duì)網(wǎng)絡(luò)的影響

室內(nèi)分布中主要使用3dB電橋和多頻合路器進(jìn)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(biāo)要求定在25dB,一般不超過(guò)30dB,致使兩個(gè)合路端口的載波信號(hào)互為干擾。這種連接方式，會(huì)使基站產(chǎn)生互調(diào)，如增大相互之間的隔離度，會(huì)使其影響降至最低。

由于無(wú)源器件非線性會(huì)導(dǎo)致互調(diào)產(chǎn)物，同時(shí)當(dāng)網(wǎng)絡(luò)饋送的載波數(shù)量增多時(shí)，這種干擾會(huì)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?yàn)?dB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(dá)到80dB,因此在多個(gè)制式多載波基站合路時(shí)候是應(yīng)該首選多頻合路器的，因?yàn)檩^大的端口隔離度會(huì)抑制端口之間的互調(diào)及雜散串?dāng)_。

在使用合路功能的無(wú)源器件的時(shí)候，首先要考慮其端口隔離和帶外抑制的問(wèn)題，在理論上存在合路信源相互間干擾的情況下，應(yīng)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(shí)，合路信號(hào)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(huì)引起擊穿或短路，同時(shí)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(yùn)營(yíng)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(tái)（POI,Point of Interface），它的主要功能是將各基站不同頻段的載頻信號(hào)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(fù)載等無(wú)源器件組成。利用POI 采用前級(jí)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(duì)上行的干擾。

（2）分配功能射頻無(wú)源器件對(duì)網(wǎng)絡(luò)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(yīng)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(biāo)和隔離度是關(guān)鍵選擇的重要指標(biāo)。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(dǎo)致打火，會(huì)導(dǎo)致?lián)舸┗驘龤?，駐波較大會(huì)增大反射信號(hào)，過(guò)大的反射信號(hào)會(huì)對(duì)信源的功放造成損害。

（3）射頻無(wú)源器件的設(shè)計(jì)與制造對(duì)應(yīng)用的影響

現(xiàn)網(wǎng)中使用的無(wú)源器件按照設(shè)計(jì)制造原理和生產(chǎn)工藝來(lái)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(shí)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(zhǎng)、同時(shí)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(yùn)營(yíng)商現(xiàn)網(wǎng)大多傾向采用腔體無(wú)源器件。

無(wú)源器件按照接口類型分類主要有N、BNC、SMA、TNC、DIN7-16 型等，同時(shí)絕大多數(shù)接口也有極性之分，即分為Male 陽(yáng)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(jiān)固可靠，防護(hù)等級(jí)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(yīng)用。這兩種系列連接器在無(wú)線通信工程建設(shè)中使用最為廣泛。

無(wú)線通信中無(wú)源器件與有源設(shè)備相比種類相對(duì)較少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)源器件制造技術(shù)和工藝門檻較低，但是無(wú)源器件質(zhì)量?jī)?yōu)劣直接影響網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量和運(yùn)營(yíng)的穩(wěn)定程度。由于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件的興起，無(wú)源器件原理設(shè)計(jì)和參數(shù)定制趨于規(guī)范化和程序化，因此在設(shè)計(jì)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(dāng)和欠缺是導(dǎo)致無(wú)源器件性能指標(biāo)無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)要求的重要原因。

影響無(wú)源器件產(chǎn)品質(zhì)量的主要因素包括設(shè)計(jì)、選材與加工工藝等方面。設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)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(duì)器件整體性能有較大影響，毛刺尖角會(huì)導(dǎo)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(shí)際網(wǎng)絡(luò)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(shí)采用導(dǎo)電密封膠進(jìn)行密封等。優(yōu)質(zhì)大功率一般內(nèi)導(dǎo)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(wú)縫隙，表面光滑。接頭外導(dǎo)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(yǔ)

無(wú)源器件的應(yīng)用范圍應(yīng)與其類型與規(guī)格參數(shù)相適應(yīng)。每種器件有各自的功能和規(guī)格參數(shù)，在使用中應(yīng)注重工作頻段及室內(nèi)分布鏈路設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)各部分參數(shù)的限制。每類器件都有各自的應(yīng)用場(chǎng)景，同時(shí)各類器件功能特性規(guī)格參數(shù)各不相同，在使用時(shí)也是需要充分考慮，盡量避免無(wú)源器件對(duì)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生不利影響。