龐 偉 中捷通信有限公司檢測校準中心工程師

梁清林 中國電信股份有限公司廣州研究院工程師

1 引言

2010年起，廣東電信在多個地市基站陸續(xù)發(fā)現(xiàn)，近信源端的無源器件在使用一段時間后，出現(xiàn)基站整個底噪整體抬升，出現(xiàn)RSSI告警的異?，F(xiàn)象。后經(jīng)筆者邀約泰爾實驗室現(xiàn)場共同調(diào)研試驗后發(fā)現(xiàn)，是由于現(xiàn)網(wǎng)功率超出無源器件的功率容限，產(chǎn)生“飛弧”現(xiàn)象所致。多年來，由于筆者長期從事對無線領(lǐng)域器件的入網(wǎng)到貨測試和選型測試，亦就加強了對相關(guān)產(chǎn)品其進行了多年的情況跟蹤和總結(jié)。

目前，國內(nèi)各大運營商LTE網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)與完善，在室內(nèi)分布系統(tǒng)中同時承載著2/3/4G及WLAN等多制式、多系統(tǒng)的情況越來越多，室內(nèi)分布系統(tǒng)由原先的小容量、單制式、窄帶通信（峰值功率?。┠Ｊ较蚨嘀剖?、多載波、大容量、高數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、寬帶通信（峰均比值大）的模式發(fā)展。在室分系統(tǒng)中承擔著重要角色的無源器件在新的無線分布系統(tǒng)環(huán)境下，原有的性能指標面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)。

本文立足于現(xiàn)網(wǎng)發(fā)展需要，分析了滿足多分布系統(tǒng)下的高性能無源器件的應(yīng)用與價值。

2 高性能無源器件的需求背景

室分無源器件主要包括耦合器、功分器、合路器、電橋、衰減器、負載等，其主要關(guān)鍵性能指標參見表1。

常規(guī)無源器件由于在設(shè)計、材料及工藝上的局限性，使其面臨著以下突出問題：

（1）多系統(tǒng)共分布下，面臨的突出問題

在多系統(tǒng)共分布下，常規(guī)無源器件的無源互調(diào)、系統(tǒng)隔離實現(xiàn)難度大，容易造成多系統(tǒng)間的相互干擾；同時，由于器件承受的峰值功率更高，容易發(fā)生打火現(xiàn)象，產(chǎn)生帶內(nèi)雜散，從而干擾上行通信。

（2）系統(tǒng)擴容時，面臨的突出問題

在室內(nèi)分布系統(tǒng)擴容時，由于基站載波數(shù)量增加，容量擴大，可能超出常規(guī)無源器件設(shè)計時所能承受的功率容限；同時，由于常規(guī)無源器件長期工作在超負荷環(huán)境下，加速了無源器件的老化，影響了室內(nèi)分布系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

表1 無源器件關(guān)鍵指標

因此，在常規(guī)無源器件的基礎(chǔ)上，開發(fā)具備承載功率容限更大，互調(diào)指標更優(yōu)，可靠性更強的無源器件勢在必行，以滿足室內(nèi)分布系統(tǒng)不斷發(fā)展的需要。

3 高性能無源器件的主要特點

高性能無源器件又稱高品質(zhì)無源器件，是指在常規(guī)無源器件的基礎(chǔ)上，為滿足更高的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用需求而開發(fā)的，較常規(guī)無源器件擁有更加優(yōu)越的指標性能，具有功率容限大、低互調(diào)、可靠性強等突出特點。

3.1 功率容限與無源互調(diào)對網(wǎng)絡(luò)的影響及危害

（1）功率容限對網(wǎng)絡(luò)的影響及危害

射頻信號在能量表現(xiàn)表現(xiàn)形式上有兩種，一種平均功率，另一種是在峰值功率。平均功率就是系統(tǒng)輸出的實際功率，峰值功率是指以某種概率出現(xiàn)的肩峰的瞬態(tài)功率，一般CCDF取0.01%。

當射頻信號通過無源器件時，無源器件的功率容限可分解為平均功率容限和峰值功率容限（見圖1）。

圖1 功率容限分解圖

當射頻信號的平均功率超出無源的平均功率容限時，在“趨膚效應(yīng)”下，會加速無源器件的氧化、老化。器件的氧化和老化使阻抗變化，引起信源失配，駐波變大，反射信號加大等情況，從而進一步加大無源器件的發(fā)熱現(xiàn)象，使無源器件積溫、氧化、老化出現(xiàn)惡循環(huán)，最終大大的降低其可靠性、穩(wěn)定性及使用壽命。

當射頻信號的峰值功率超出無源器的峰值功率容限時，容易產(chǎn)生飛弧現(xiàn)象。飛弧現(xiàn)象俗稱“打火”，是在高低電壓兩電極之間產(chǎn)生的非正常直接放電現(xiàn)象。其產(chǎn)生的原因與高電壓、絕緣材料差、導體存在毛刺、工作環(huán)境濕度大等因素有關(guān)。

飛弧現(xiàn)象使無源器件發(fā)生局部微放電，造成頻譜擴張，產(chǎn)生寬帶干擾，影響多個系統(tǒng)；嚴重時直接擊穿燒壞無源器件，引起網(wǎng)絡(luò)中斷，同時由于使信號出現(xiàn)反射或全反射，導致信源損壞。

（2）無源互調(diào)對網(wǎng)絡(luò)的影響及危害

無源互調(diào)是兩個以上不同頻率的信號，同時作用在具有非線性特性的無源器件時，產(chǎn)生的一系列無源互調(diào)產(chǎn)物，其表達式為：IMP（互調(diào)生成物）＝nf1+mf2，n、m=1、2、3等。

其中，3階互調(diào)頻率（2f1-f2）對接收頻段的干擾最大（見圖2）。

圖2 無源互調(diào)產(chǎn)物

當無源互調(diào)產(chǎn)物落入移動通信上行接收頻段時，將導致正常信號無法正常通信。具體表現(xiàn)為：

●產(chǎn)生鄰頻干擾或同頻干擾，通話質(zhì)量下降。

●基站干擾等級受互調(diào)信號影響。

●造成相鄰系統(tǒng)無法正常運行。

3.2 高性能無源器件性能的優(yōu)化與改進

針對常規(guī)無源器件在多分布系統(tǒng)下存在的不足，高性能無源器件需要在設(shè)計、材料及工藝上進行優(yōu)化，改進，以滿足網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的需求。

（1）優(yōu)化設(shè)計方案

首先，在設(shè)計目標上，在滿足現(xiàn)網(wǎng)需求的同時，應(yīng)兼容未來網(wǎng)絡(luò)擴容、發(fā)展的需要進行設(shè)計；其次，在材料設(shè)計上，采用電性能優(yōu)、承受功率強、互調(diào)低、穩(wěn)定性高的材料；最后，在設(shè)計工藝上，采用一次壓鑄成型，密閉無縫隙，具備防塵防水等設(shè)計。

（2）優(yōu)化無源器件生產(chǎn)工藝和使用材質(zhì)

●內(nèi)導體工藝和材質(zhì)要求

導體上尖銳的毛刺是飛弧和打火的重要條件，因此高性能無源器件內(nèi)導體表面必須光滑整潔，在彎角處（特別是90°彎角處），進行弧度平滑過渡處理，不出現(xiàn)任何尖角、毛刺，具體參見圖3；為確保內(nèi)導體的傳導性能、可靠性及使用壽命，內(nèi)導體建議采用鈹青銅鍍銀的材質(zhì)，加工時，采用壓鑄加工方式，一體成型，同時對表面進行多層電鍍，最外層采用渡金或鍍銀處理。

圖3 高性能內(nèi)導體圖

●腔體工藝和材質(zhì)要求

為確保高性能無源器件在不同環(huán)境下，能滿足網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用需求，腔體的生產(chǎn)加工應(yīng)采用無縫隙泄露工藝（見圖4），使其具有優(yōu)越的屏蔽效能，既防止信號外泄，隔絕外部信號干擾，又滿足防塵、防水、防霉菌、抗氧化等要求，大大提高其穩(wěn)定性與可靠性。

圖4 腔體工藝對比圖

腔體在材質(zhì)上優(yōu)先采用合金鋁型材，并進行多層電鍍處理，使表面光亮整潔、無缺損、無雜質(zhì)殘留。金鋁型材較擠壓型鋁材，具有密度好、壽命長、易加工、抗腐蝕、高韌性、不變形、易拋光等諸多優(yōu)點。

●連接器工藝和材質(zhì)要求

為確保連接器在多次的插拔過程中的可靠性，內(nèi)芯和外導體要求不易變形，穩(wěn)定性高，延展性強，導電性優(yōu)。

在連接器選用類型上，建議優(yōu)先采用DIN型連接器。DIN型連接器相對于N型連接器，具有性能指標優(yōu)良，功率容限高，互調(diào)指標優(yōu)，可靠性強等優(yōu)點。其不足之處是體積較大、重量較重、工藝要求高，成本較高。

在連接器的生產(chǎn)工藝上，內(nèi)芯和外導體應(yīng)一體化完成，內(nèi)芯體固定無轉(zhuǎn)動，且采用多層電鍍工藝，最外層采用渡金或銀，提高其穩(wěn)定性和使用壽命（見圖5）。

圖5 高性能DIN型連接器

內(nèi)芯材料是連接器性能的關(guān)鍵因素。內(nèi)導體常用材質(zhì)主要有鈹青銅、錫青銅、黃銅。3種材質(zhì)都具有優(yōu)良導電性能，但在金屬延展性和彈性上，鈹青銅最好，錫青銅次之，黃銅相對較差。內(nèi)芯金屬延展性、彈性是連接器插拔次數(shù)和可靠性的重要保障，因此在連接器在內(nèi)芯使用材料上，優(yōu)先推薦先使用鈹青銅，其次錫青銅；在連接器外導體上，優(yōu)先使用黃銅或三元合金材質(zhì)，其相對常規(guī)的鋅合金材料，具有電性能穩(wěn)定、精度高、材質(zhì)硬、不易變型、可靠性強等優(yōu)點。

4 高性能無源器件的應(yīng)用與價值

4.1 在網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用要求

高性能無源器件具體在網(wǎng)絡(luò)中的使用要求，與其所在網(wǎng)絡(luò)中的位置相關(guān)。根據(jù)無源器件與信源的距離，可將無源器件在網(wǎng)絡(luò)中使用的位置，劃分為一級、二級、三級至N級。一級為信源端出來的下一級，連接一級無源器件的下一個無源器件為二級，依此類推，至末端的N級（見圖6）。

理論上，越是靠近信源端的位置，其對網(wǎng)絡(luò)的影響和干擾越大，其承受的功率及互調(diào)要求也越高。

信源端至一級無源器件的信號插損主要為饋線與連接器插損，約為0.2dB；其余級間插損主要為饋線、連接器和級間無源器件的插損，饋線與連接器的插損按0.6dB計，級間無源器件插損按0.8dB計（實際插損與頻率、饋線長短、無源器件類型、施工質(zhì)量相關(guān)），則級間插損為1.4dB；按信源每載波發(fā)射功率43dBm計，其功率容限及互調(diào)應(yīng)用要求如下：

（1）功率容限在各級網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用要求

在不同發(fā)射模式下，前幾級無源器件承受的峰值功率如表2所示。

表2 不同發(fā)射模式下的功率對應(yīng)表

由表2分析可知，在不同發(fā)射模式下，特別是在多載波（載波數(shù)大于3）的情況下，其峰值功率承受要求有明顯的差異；同時，峰值功率逐級遞減，前三級在網(wǎng)絡(luò)中承受著較高的峰值功率。在不同共網(wǎng)模式下，前3級功率容限建議如表3所示。

圖6 無源器件在網(wǎng)絡(luò)中的使用位置

表3 多系統(tǒng)共網(wǎng)峰值功率容限

在實際的應(yīng)用中，應(yīng)以器件所處網(wǎng)絡(luò)位置的實際承受功率總和，結(jié)合未來擴容需求，及成本預算，確定其功率容限。

（2）無源互調(diào)在各級網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用要求

無源互調(diào)產(chǎn)生的上行干擾信號強度，其計算公式為：Pt=P+Pm-Ls。

其中，Pt為上行信號干擾強度，P為輸入功率，Pm為器件互調(diào)值，Ls為無源器件至信源端損耗。

設(shè)每載波輸出功率P=43dBm，減去各級間的損耗，則前三級的互調(diào)輸入功率分別為42.8、41.4、40.0dBm。當高性能無源器件的互調(diào)值取不同值時，各級間產(chǎn)生對上行干擾信號值參見表4。

表4 干擾信號強度表

在表4中，數(shù)值結(jié)合各分布系統(tǒng)干擾信號抑制要求可知，在一級處（承受功率＞42.8dBm）高性能無源器件的互調(diào)值應(yīng)優(yōu)于-150dBc，二級處（承受功率＞41.4dBm）應(yīng)優(yōu)于-145dBc，三級處（承受功率＞40dBm）應(yīng)優(yōu)于-140dBc。

4.2 應(yīng)用場景

（1）室分系統(tǒng)改造

系統(tǒng)擴容改造時，室分系統(tǒng)承載的功率變大，原有的不少設(shè)器件或老化或者指標惡化，無法滿足使用要求，必須更換性能更優(yōu)的高性能無源器件。

（2）新建室分系統(tǒng)

新建室分系統(tǒng)場景承載話務(wù)大，場景復雜，系統(tǒng)合路多，功率大，需要性能更具優(yōu)越的高性能無源器件來滿足大功率、低互調(diào)、穩(wěn)定性高、可靠性強的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用需求。

4.3 應(yīng)用價值

（1）改善網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量

高性能無源器件由于其功率容限大，互調(diào)低等的突出特點，有利于降低系統(tǒng)帶間干擾，改善網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，降低系統(tǒng)損耗，提升系統(tǒng)的整體功率，延伸網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍。同時，為后期網(wǎng)絡(luò)的升級、擴容提供足夠的硬件余量。

（2）降低維護成本

高性無源器件相比常規(guī)無源器件的成本要高出許多。但由于其先進的設(shè)計工藝，優(yōu)越的產(chǎn)品材質(zhì)，使其使用壽命比常規(guī)無源器件更長，穩(wěn)定性更高，可靠性更強，大大降低了無源器件的故障率，從而為后期網(wǎng)絡(luò)的運營維護節(jié)約了大量的人力、物力和時間成本。同時，減少了因器件質(zhì)量引起的用戶感知下降帶來的一系列隱性損失。

5 結(jié)束語

綜合上述，在效果上，高性能無源器件主要應(yīng)用在室分網(wǎng)絡(luò)的改造或新建中，而從目前網(wǎng)絡(luò)特點來看無論從話務(wù)量和數(shù)據(jù)流量需求量來自于室內(nèi)分布系統(tǒng)，80%的投訴來自于室內(nèi)分布，80%的流量產(chǎn)生亦來自室內(nèi)分布系統(tǒng)，覆蓋網(wǎng)絡(luò)熱點地區(qū)的室內(nèi)分布直接影響用戶感知，所以室內(nèi)分布系統(tǒng)特別是網(wǎng)絡(luò)的前三級，對改善網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，具有顯著的效果；使用高品質(zhì)高性能無源器件在為后期室內(nèi)分布系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)改造，為后期引入分布式室內(nèi)天線改造，話務(wù)分流和數(shù)據(jù)分流提供了堅實的基礎(chǔ)，在前期投資效益上，高性能無源器件的前期投入較常規(guī)無源器件高，但其后期的綜合收益更明顯，節(jié)省了運維成本和降低故障率和由于故障產(chǎn)生而產(chǎn)生排查人工成本和物業(yè)協(xié)調(diào)、現(xiàn)場進場施工保險費用和現(xiàn)場物業(yè)要求裝修修復等的費用，為后期新技術(shù)引入夯實了基礎(chǔ)。從建設(shè)精品網(wǎng)絡(luò)，切實提升用戶感知上講，高性能無源器件更符合未來網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的需求。

1 潘沖.淺析射頻無源器件應(yīng)用對無線通信的影響.電信網(wǎng)技術(shù).2014,6

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3 杜援等.淺談移動通信系統(tǒng)中互調(diào)干擾的產(chǎn)生和排查數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用.2014,3

4 薛楠.LTE室內(nèi)分布系統(tǒng)建設(shè)方案研究.郵電設(shè)計技術(shù).2013,1

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