射频无源器件的设计与对无线通信造成影响的原因
1 引言
无线通信经过几十年的快速发展已经成为人们生活中不可或缺的重要通信手段。近年来伴随城市建设，用户的激增和业务的多元化，传统的广域覆盖模式已经不能满足用户的需求。城市建设中大量楼堂馆所的兴建，钢筋混凝土建筑的大量兴起使得无线信号传播受到严重阻碍，地铁、地下通道和地下停车场等地下建筑空间也是无线覆盖盲区，用户在建筑物内使用移动通信业务受到严重制约，运营商为改善用户体验提高服务质量和自身竞争力，着力加大网络建设和优化力度。通过兴建大量基站和进行信号室内分布来解决室内覆盖问题，以达到提供无缝覆盖，为用户提供高效可持续无盲点的无线网络服务。
2 射频无源器件应用
射频无源器件主要应用于无线通信系统基站建设和室内分布系统中。特别是在建筑物内的无 线信号室内分布覆盖中应用种类繁多，数量庞大。射频无源器件在基站建设和室内分布工程中起到连接或分配射频信号的作用。室内分布系统是将基站发射的信号通过射频无源器件进行连接或分路，经由馈线分散到各覆盖点天线处，从而达到室内无线信号连续良好的覆盖。
室内分布系统主要包括信源和天馈分布系统两部分。无源器件是天馈系统的主要组成部分。
典型天馈系统拓扑如图1 所示。
图1 典型天馈系统拓扑图
多种制式的射频信号由各基站发出后经由多频合路器或电桥等具有合路功能的无源器件合路后通过线缆传送到建筑物各处分布的吸顶天线或壁挂天线，由天线发射出去进行覆盖。合路后的信号也可经由耦合器，通过耦合器耦合出一部分信号直接覆盖。另外，由于多级级联因使用较多的无源器件插入各器件的插入损耗累加会对信号产生较大衰减，或进行较远距离传输射频信号会在电缆传送的过程中产生较大的衰减，可将合路后的信号接入多频合路器的输出端口（即反向使用腔体多频合路器）作为功分器使用，信号经过多频合路器滤波后，由多频合路器的输入端口输出，由于各端口的带通滤波特性，各端口仅输出该端口工作频段带内的信号，这些信号可传送到各制式专门的直放站进行放大后再输出后合路再覆盖，以 补偿信号在链路上的损耗和衰减，最终满足链路预算设计各项参数，以保证各点的覆盖效果。
无线射频信号从信源发射出来通过电缆传输到各个天线口，是一个信号合路、传送、分配的过程。射频无源器件在无线通信工程中主要起到连接路由或分配调控的作用，因此射频无源器件按照在工程中的应用主要分为连接路由型和分配调控型。连接路由型是指为射频信号提供连续的传输路径，是将射频信号的通路连接起来或者将多路射频信号进行合路再传输。目前，无线通信工程中常用的射频无源器件有功分器、耦合器、衰减器、滤波器、合路器、负载、电桥和双工器等。连接路由型射频无源器件主要包括合路器、电桥等。分配调控是指将一路信号等分成多路或分成不同频段不同大小的射频信号，以满足设计施工要求。分配调控型器件主要包括功分器、耦合器、滤波器等。当然，分配调控型器件也是可以起到连同信号的作用，但是之所以将两者区分开来，是因为在工程上主要是通过后者对无线射频信号的大小或频段的改变的特点来满足设计和施工的要求。如利用不同耦合度的耦合器改变耦合端口输出信号大小来满足覆盖要求，或利用双工器、滤波器将上下行或不同频段的信号分离出来。
3 射频无源器件应用对无线通信的影响
射频无源器件质量对网络质量和用户体验产生极大的影响。目前，我国有中国电信、中国移动和中国联通三大运营商，运营的无线通信制式包括GSM、CDMA、TD-SCDMA、cdma2000、WCDMA、LTE 和PHS,以及无线局域网WLAN等，近年来出于节约成本减少重复建设的目的，越来越多的室内分布系统采用多系统合路共用室分系统的模式，多系统、多频段的信号，以公共合路平台共用室内分布系统的方式进行融合，实现多频段、多系统合路单向或者双向传输。这样的好处是减少重复基础设施建设，节约空间，但是多系统共站址共室内分布系统带来的问题越来越突出，多系统共存不可避免地引入系统间干扰，特别是工作频段相近中间隔保护频带较小的情况下，不同制式之间杂散和互调产物的影响。在这种情况下，良好品质的无源器件则会减轻这种干扰带来的影响，不良的器件则会引起或加深这种影响。射频无源器件自身质量欠佳也会导致一些网络指标的下降，而质量优良的器件会对网络质量产生积极的作用，对抑制杂散、干扰和阻塞的发生有积极的作用。复杂环境下多制式共存室分系统对无源器件的技术指标和性能参数的要求提升到了一个新的高度。
目前，无线网络中主要干扰类型分为系统内干扰和系统间干扰。具体体现主要是发射机杂散、接收机阻塞和互调干扰。
系统内的杂散干扰是指发射频段的杂散落入接收频段导致的系统自身的干扰。
系统间的杂散干扰就是一个系统的发射频段外的杂散落入到了另一个系统的接收频段内而造成的干扰，杂散干扰对系统最直接的一个影响就是降低了系统的接收灵敏度。
阻塞干扰是各系统信号和其工作频率的组合成分，落在各自系统自身或其它系统中接收机所接收的信道带宽之外，却仍然能进入该基站接收机，当此干扰导致接收机饱和时候，就会引起接收机无法正常接收正常工作频带内的信号，使接收机灵敏度性能恶化。
由于射频无源器件和功放电路等非线性的元器件的存在，两路或两路以上信号作用于非线性器件上会产生新的频率信号即互调产物，这种信号对正常通信的干扰就是互调干扰。无线通信系统中 有源互调和无源互调两类，有源互调是由发射机发射两个及以上载波时产生的，无源互调是由于无源器件，射频连接链路中不良的机械结点、射频器件的材料具有磁滞现象、射频通道中的表面或接触面受到污染和不同材料的连接处的具有非线性的特点等导致产生的互调产物，无源互调产物如落入上行接收频段，由于终端发射信号强度较小，落入上行的互调产物会对基站接收灵敏度产生不利影响。
上述这些干扰是我们在工程实践中不愿遇到但是又很难避免的问题，无源器件在室内分布系统中起到连接、多系统合路或分配的作用，在这个过程中选取适当规格与参数的无源器件或减轻、或避免干扰造成的影响，而不当地使用无源器件或器件规格不符或性能不达标则会产生或加剧干扰。我国目前主要移动通信所占用频率划分参见表1。
若基站产生两载波信号，频率分别 为f1和f2,则三阶互调产物频率为F3,五阶互调产物为F5,即：
F3=2f1- f2和F3=2f2- f1
F5=3f1- 2f2和F5=3f1- 2f2
将各制式发射频段频率最低和最高边缘频率代入上述公式，则可得出各发射频段产生互调产物频率。通过计算可知这些互调产物的频率有可能落在系统本身的上行频段造成自身干扰，也有落入其它系统上行频段造成系统间干扰，另外信号的倍频和谐波也有可能造成干扰。系统内和系统之间干扰是普遍存在的，特别是在多制式共用室内分布系统中这种干扰更为普遍，因此在无源器件的选择上特别是起到合路作用的器件应特别注意。
射频无源器件性能参数主要包括工作频段、插入损耗、输入输出驻波、端口隔离度、带内波动、带外抑制、互调产物和功率容量等。根据现网情况和测试情况，无源器件是影响现网的关键性因素。
关键性因素主要包括：
●端口隔离度
隔离度不好会造成各制式之间干扰，传导杂散和多载波互调产物对终端上行信号干扰。
●输入输出驻波
无源器件驻波比较大的情况下，反射信号变大，极端情况基站驻波告警，损坏射频元件和功放。
●带外抑制
带外抑制不好会加大系统间干扰，良好的带外抑制能力和良好的端口隔离度一样有助于减轻系统间串扰。
●互调产物
较大的互调产物会落入上行频段，会导致接收机性能恶化。
●功率容量
多载波、大功率输出、大峰均比信号条件下功率容量不足会导致容易出现底噪抬升，出现无法呼通或掉话等网络质量严重下降情况，会引起飞弧和打火情况，极端情况会击穿烧毁导致网络瘫痪造成不可逆的损失。
●器件加工工艺与材质
材质和加工工艺不过关直接导致器件各项参数性能下降，同时器件耐久性和环境适应性大大降低。
一般性因素主要包括：
●插入损耗
插入损耗过大会使信号在链路上损失较多的能量影响覆盖范围，同时增加直放站又会引入新的干扰，而一味提高基站发射功率又不环保，而且超出功放线最优线性工作区间时发射机信号质量会恶化，会影响室内分布设计预期的实现。
●带内波动
带内波动较大会导致带内信号平坦度不好，当带内有多载波时候会覆盖影响，会影响室内分布设计预期的实现。
●工作频段。
（1）合路功能射频无源器件对网络的影响
室内分布中主要使用3dB电桥和多频合路器进行合路。
3dB电桥在室分系统中一般采用两种方式的连接，即同基站双极化两扇区不同载波合路方式或两基站同频段多载波的合路连接方式。由于目前3dB电桥隔离度指标要求定在25dB,一般不超过30dB,致使两个合路端口的载波信号互为干扰。这种连接方式，会使基站产生互调，如增大相互之间的隔离度，会使其影响降至最低。
由于无源器件非线性会导致互调产物，同时当网络馈送的载波数量增多时，这种干扰会加剧，以致被干扰频段的低噪抬高。在这种情况下，多频合路器要优选于3dB电桥，因为3dB电桥两端口隔离度一般只有25~30dB,而现网使用的多频合路器端口之间隔离度至少要达到80dB,因此在多个制式多载波基站合路时候是应该首选多频合路器的，因为较大的端口隔离度会抑制端口之间的互调及杂散串扰。
在使用合路功能的无源器件的时候，首先要考虑其端口隔离和带外抑制的问题，在理论上存在合路信源相互间干扰的情况下，应遵循选取的器件确保有效的隔离度和良好的带外抑制能力。同时，合路信号存在较大功率的情况，要保证选取功率容量足够的腔体器件，否则会引起击穿或短路，同时要确保器件的材质制造工艺如焊接、连接、电镀等方面满足要求，避免打火飞弧现象的发生。
目前，运营商在大型建筑的室内分布工程较为广泛使用多系统接入平台（POI,Point of Interface），它的主要功能是将各基站不同频段的载频信号合成送至共用的天馈分布系统，主要由宽频带的桥路合路器、多频段合路器、负载等无源器件组成。利用POI 采用前级合路上下行天馈系统分开的模式，这样就可以在一定程度上避免下行对上行的干扰。
（2）分配功能射频无源器件对网络质量的影响
分配器件主要起到功率分配和频率分配的作用，主要包括功分器、耦合器，电桥和多频合路器也可作为分配器件使用。
分配器件一般直接与基站连接，直接与基站相接的器件应考虑器件的类别和材质工艺的要求，耐功率程度和互调指标和隔离度是关键选择的重要指标。避免使用较小功率的耦合器和功分器。器件功率容量不足回导致打火，会导致击穿或烧毁，驻波较大会增大反射信号，过大的反射信号会对信源的功放造成损害。
（3）射频无源器件的设计与制造对应用的影响
现网中使用的无源器件按照设计制造原理和生产工艺来区分，可分为腔体和微带两种类型。腔体器件主要包括腔体功分器、腔体耦合器、腔体滤波器、腔体合路器和腔体电桥等；微带器件主要包括微带功分器、微带耦合器和微带电桥等。腔体器件体积普遍大于微带类器件，同时腔体器件的加工工艺和制造难度要大于微带器件，成本也高于微带器件。但是腔体器件插入损耗小、使用寿命长、同时功率容量大，特别是耐功率性能要好于微带器件，目前条件下运营商现网大多倾向采用腔体无源器件。
无源器件按照接口类型分类主要有N、BNC、SMA、TNC、DIN7-16 型等，同时绝大多数接口也有极性之分，即分为Male 阳头和Female 阴头。由于N型和DIN7-16 型接口，使用螺纹锁紧连接非常坚固可靠，防护等级高、气候耐受性好并且互调性能较好，DIN7-16型特别适用于大功率和户外应用。这两种系列连接器在无线通信工程建设中使用最为广泛。
无线通信中无源器件与有源设备相比种类相对较少，结构简单，无源器件制造技术和工艺门槛较低，但是无源器件质量优劣直接影响网络质量和运营的稳定程度。由于计算机辅助设计软件的兴起，无源器件原理设计和参数定制趋于规范化和程序化，因此在设计方面器件厂商不存在瓶颈，而是由于降低成本或生产能力方面的因素，在选材和加工工艺方面的不当和欠缺是导致无源器件性能指标无法达到设计要求的重要原因。
影响无源器件产品质量的主要因素包括设计、选材与加工工艺等方面。设计上要精确，材料选取上要符合工程器件要求，加工工艺上要能够保证实现设计的精度要求并保证产品稳定可靠。
加工工艺上首先要保证加工精度。腔体表面洁净对器件整体性能有较大影响，毛刺尖角会导致飞弧噪声和互调较差。器件加工要在放水、防腐、防尘等方面采取积极有效的措施，充分考虑到实际网络的工作环境。如在腔体器件加工是采用数控铣床加工或一次压铸成型，连接紧固螺丝采用防锈金属，器件表面防腐处理同时采用导电密封胶进行密封等。优质大功率一般内导体与内芯一体化完成，采用DIN或N型接头，采用腔体空气结构，腔体采用铝合金一次压铸成型，先镀铜后镀银处理，密封无缝隙，表面光滑。接头外导体采用黄铜或三元合金并镀镍，内芯采用延展性好的铍青铜镀银处理。
4 结束语
无源器件的应用范围应与其类型与规格参数相适应。每种器件有各自的功能和规格参数，在使用中应注重工作频段及室内分布链路设计时对各部分参数的限制。每类器件都有各自的应用场景，同时各类器件功能特性规格参数各不相同，在使用时也是需要充分考虑，尽量避免无源器件对网络产生不利影响。
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