高性能無(wú)源器件在網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

龐 偉 中捷通信有限公司檢測(cè)校準(zhǔn)中心工程師

梁清林 中國(guó)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(gè)地市基站陸續(xù)發(fā)現(xiàn)，近信源端的無(wú)源器件在使用一段時(shí)間后，出現(xiàn)基站整個(gè)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(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場(chǎng)共同調(diào)研試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，是由于現(xiàn)網(wǎng)功率超出無(wú)源器件的功率容限，產(chǎn)生“飛弧”現(xiàn)象所致。多年來(lái)，由于筆者長(zhǎng)期從事對(duì)無(wú)線領(lǐng)域器件的入網(wǎng)到貨測(cè)試和選型測(cè)試，亦就加強(qiáng)了對(duì)相關(guān)產(chǎn)品其進(jìn)行了多年的情況跟蹤和總結(jié)。

目前，國(guó)內(nèi)各大運(yùn)營(yíng)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(shí)承載著2/3/4G及WLAN等多制式、多系統(tǒng)的情況越來(lái)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(dān)著重要角色的無(wú)源器件在新的無(wú)線分布系統(tǒng)環(huán)境下，原有的性能指標(biāo)面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

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

2 高性能無(wú)源器件的需求背景

室分無(wú)源器件主要包括耦合器、功分器、合路器、電橋、衰減器、負(fù)載等，其主要關(guān)鍵性能指標(biāo)參見(jiàn)表1。

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

（1）多系統(tǒng)共分布下，面臨的突出問(wèn)題

在多系統(tǒng)共分布下，常規(guī)無(wú)源器件的無(wú)源互調(diào)、系統(tǒng)隔離實(shí)現(xiàn)難度大，容易造成多系統(tǒng)間的相互干擾；同時(shí)，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(kuò)容時(shí)，面臨的突出問(wèn)題

在室內(nèi)分布系統(tǒng)擴(kuò)容時(shí)，由于基站載波數(shù)量增加，容量擴(kuò)大，可能超出常規(guī)無(wú)源器件設(shè)計(jì)時(shí)所能承受的功率容限；同時(shí)，由于常規(guī)無(wú)源器件長(zhǎng)期工作在超負(fù)荷環(huán)境下，加速了無(wú)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(wú)源器件關(guān)鍵指標(biāo)

因此，在常規(guī)無(wú)源器件的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)具備承載功率容限更大，互調(diào)指標(biāo)更優(yōu)，可靠性更強(qiáng)的無(wú)源器件勢(shì)在必行，以滿(mǎn)足室內(nèi)分布系統(tǒng)不斷發(fā)展的需要。

3 高性能無(wú)源器件的主要特點(diǎn)

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

3.1 功率容限與無(wú)源互調(diào)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的影響及危害

（1）功率容限對(duì)網(wǎng)絡(luò)的影響及危害

射頻信號(hào)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(shí)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(dāng)射頻信號(hào)通過(guò)無(wú)源器件時(shí)，無(wú)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(jiàn)圖1）。

圖1 功率容限分解圖

當(dāng)射頻信號(hào)的平均功率超出無(wú)源的平均功率容限時(shí)，在“趨膚效應(yīng)”下，會(huì)加速無(wú)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(hào)加大等情況，從而進(jìn)一步加大無(wú)源器件的發(fā)熱現(xiàn)象，使無(wú)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(dāng)射頻信號(hào)的峰值功率超出無(wú)源器的峰值功率容限時(shí)，容易產(chǎn)生飛弧現(xiàn)象。飛弧現(xiàn)象俗稱(chēng)“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(dǎo)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(wú)源器件發(fā)生局部微放電，造成頻譜擴(kuò)張，產(chǎn)生寬帶干擾，影響多個(gè)系統(tǒng)；嚴(yán)重時(shí)直接擊穿燒壞無(wú)源器件，引起網(wǎng)絡(luò)中斷，同時(shí)由于使信號(hào)出現(xiàn)反射或全反射，導(dǎo)致信源損壞。

（2）無(wú)源互調(diào)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的影響及危害

無(wú)源互調(diào)是兩個(gè)以上不同頻率的信號(hào)，同時(shí)作用在具有非線性特性的無(wú)源器件時(shí)，產(chǎn)生的一系列無(wú)源互調(diào)產(chǎn)物，其表達(dá)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(duì)接收頻段的干擾最大（見(jiàn)圖2）。

圖2 無(wú)源互調(diào)產(chǎn)物

當(dāng)無(wú)源互調(diào)產(chǎn)物落入移動(dòng)通信上行接收頻段時(shí)，將導(dǎo)致正常信號(hào)無(wú)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(jí)受互調(diào)信號(hào)影響。

●造成相鄰系統(tǒng)無(wú)法正常運(yùn)行。

3.2 高性能無(wú)源器件性能的優(yōu)化與改進(jìn)

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

（1）優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

首先，在設(shè)計(jì)目標(biāo)上，在滿(mǎn)足現(xiàn)網(wǎng)需求的同時(shí)，應(yīng)兼容未來(lái)網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容、發(fā)展的需要進(jìn)行設(shè)計(jì)；其次，在材料設(shè)計(jì)上，采用電性能優(yōu)、承受功率強(qiáng)、互調(diào)低、穩(wěn)定性高的材料；最后，在設(shè)計(jì)工藝上，采用一次壓鑄成型，密閉無(wú)縫隙，具備防塵防水等設(shè)計(jì)。

（2）優(yōu)化無(wú)源器件生產(chǎn)工藝和使用材質(zhì)

●內(nèi)導(dǎo)體工藝和材質(zhì)要求

導(dǎo)體上尖銳的毛刺是飛弧和打火的重要條件，因此高性能無(wú)源器件內(nèi)導(dǎo)體表面必須光滑整潔，在彎角處（特別是90°彎角處），進(jìn)行弧度平滑過(guò)渡處理，不出現(xiàn)任何尖角、毛刺，具體參見(jiàn)圖3；為確保內(nèi)導(dǎo)體的傳導(dǎo)性能、可靠性及使用壽命，內(nèi)導(dǎo)體建議采用鈹青銅鍍銀的材質(zhì)，加工時(shí)，采用壓鑄加工方式，一體成型，同時(shí)對(duì)表面進(jìn)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(dǎo)體圖

●腔體工藝和材質(zhì)要求

為確保高性能無(wú)源器件在不同環(huán)境下，能滿(mǎn)足網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用需求，腔體的生產(chǎn)加工應(yīng)采用無(wú)縫隙泄露工藝（見(jiàn)圖4），使其具有優(yōu)越的屏蔽效能，既防止信號(hào)外泄，隔絕外部信號(hào)干擾，又滿(mǎn)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(duì)比圖

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

●連接器工藝和材質(zhì)要求

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

在連接器選用類(lèi)型上，建議優(yōu)先采用DIN型連接器。DIN型連接器相對(duì)于N型連接器，具有性能指標(biāo)優(yōu)良，功率容限高，互調(diào)指標(biāo)優(yōu)，可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。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(dǎo)體應(yīng)一體化完成，內(nèi)芯體固定無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)，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(jiàn)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(dǎo)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(dǎo)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(duì)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(dǎo)體上，優(yōu)先使用黃銅或三元合金材質(zhì)，其相對(duì)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(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

4 高性能無(wú)源器件的應(yīng)用與價(jià)值

4.1 在網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用要求

高性能無(wú)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(wú)源器件與信源的距離，可將無(wú)源器件在網(wǎng)絡(luò)中使用的位置，劃分為一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)至N級(jí)。一級(jí)為信源端出來(lái)的下一級(jí)，連接一級(jí)無(wú)源器件的下一個(gè)無(wú)源器件為二級(jí)，依此類(lèi)推，至末端的N級(jí)（見(jiàn)圖6）。

理論上，越是靠近信源端的位置，其對(duì)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(jí)無(wú)源器件的信號(hào)插損主要為饋線與連接器插損，約為0.2dB；其余級(jí)間插損主要為饋線、連接器和級(jí)間無(wú)源器件的插損，饋線與連接器的插損按0.6dB計(jì)，級(jí)間無(wú)源器件插損按0.8dB計(jì)（實(shí)際插損與頻率、饋線長(zhǎng)短、無(wú)源器件類(lèi)型、施工質(zhì)量相關(guān)），則級(jí)間插損為1.4dB；按信源每載波發(fā)射功率43dBm計(jì)，其功率容限及互調(diào)應(yīng)用要求如下：

（1）功率容限在各級(jí)網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用要求

在不同發(fā)射模式下，前幾級(jí)無(wú)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(duì)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(shí)，峰值功率逐級(jí)遞減，前三級(jí)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(jí)功率容限建議如表3所示。

圖6 無(wú)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(shí)際的應(yīng)用中，應(yīng)以器件所處網(wǎng)絡(luò)位置的實(shí)際承受功率總和，結(jié)合未來(lái)擴(kuò)容需求，及成本預(yù)算，確定其功率容限。

（2）無(wú)源互調(diào)在各級(jí)網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用要求

無(wú)源互調(diào)產(chǎn)生的上行干擾信號(hào)強(qiáng)度，其計(jì)算公式為：Pt=P+Pm-Ls。

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

設(shè)每載波輸出功率P=43dBm，減去各級(jí)間的損耗，則前三級(jí)的互調(diào)輸入功率分別為42.8、41.4、40.0dBm。當(dāng)高性能無(wú)源器件的互調(diào)值取不同值時(shí)，各級(jí)間產(chǎn)生對(duì)上行干擾信號(hào)值參見(jiàn)表4。

表4 干擾信號(hào)強(qiáng)度表

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

4.2 應(yīng)用場(chǎng)景

（1）室分系統(tǒng)改造

系統(tǒng)擴(kuò)容改造時(shí)，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(biāo)惡化，無(wú)法滿(mǎn)足使用要求，必須更換性能更優(yōu)的高性能無(wú)源器件。

（2）新建室分系統(tǒng)

新建室分系統(tǒng)場(chǎng)景承載話務(wù)大，場(chǎng)景復(fù)雜，系統(tǒng)合路多，功率大，需要性能更具優(yōu)越的高性能無(wú)源器件來(lái)滿(mǎn)足大功率、低互調(diào)、穩(wěn)定性高、可靠性強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用需求。

4.3 應(yīng)用價(jià)值

（1）改善網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量

高性能無(wú)源器件由于其功率容限大，互調(diào)低等的突出特點(diǎn)，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(shí)，為后期網(wǎng)絡(luò)的升級(jí)、擴(kuò)容提供足夠的硬件余量。

（2）降低維護(hù)成本

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

5 結(jié)束語(yǔ)

綜合上述，在效果上，高性能無(wú)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(diǎn)來(lái)看無(wú)論從話務(wù)量和數(shù)據(jù)流量需求量來(lái)自于室內(nèi)分布系統(tǒng)，80%的投訴來(lái)自于室內(nèi)分布，80%的流量產(chǎn)生亦來(lái)自室內(nèi)分布系統(tǒng)，覆蓋網(wǎng)絡(luò)熱點(diǎn)地區(qū)的室內(nèi)分布直接影響用戶(hù)感知，所以室內(nèi)分布系統(tǒng)特別是網(wǎng)絡(luò)的前三級(jí)，對(duì)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(wú)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(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，在前期投資效益上，高性能無(wú)源器件的前期投入較常規(guī)無(wú)源器件高，但其后期的綜合收益更明顯，節(jié)省了運(yùn)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(chǎng)進(jìn)場(chǎng)施工保險(xiǎn)費(fèi)用和現(xiàn)場(chǎng)物業(yè)要求裝修修復(fù)等的費(fèi)用，為后期新技術(shù)引入夯實(shí)了基礎(chǔ)。從建設(shè)精品網(wǎng)絡(luò)，切實(shí)提升用戶(hù)感知上講，高性能無(wú)源器件更符合未來(lái)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的需求。

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3 杜援等.淺談移動(dòng)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

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