微波合路器的功率容量分析及提升方案

沈陽出入境檢驗檢疫局 馬 進

奧維通信股份有限公司 張大偉

沈陽出入境檢驗檢疫局 翟文濤

微波合路器的功率容量分析及提升方案

沈陽出入境檢驗檢疫局 馬 進

奧維通信股份有限公司 張大偉

沈陽出入境檢驗檢疫局 翟文濤

一、背景

隨著移動通信技術(shù)的快速發(fā)展，越來越多的通信系統(tǒng)加入到現(xiàn)有實際運營的商業(yè)通信系統(tǒng)當中，特別是我國，目前運營者世界上規(guī)模最為龐大的GSM網(wǎng)絡(luò)，包括后續(xù)新建的WCDMA網(wǎng)絡(luò)、CDMA網(wǎng)絡(luò)，這個系統(tǒng)越來越趨于復雜，盡管新上的LTE技術(shù)在兼容性上很好的解決了系統(tǒng)共用的問題，但是從建設(shè)成本上講最優(yōu)的方案還是在原有系統(tǒng)保留的情況下，用合路的方式將新系統(tǒng)與原系統(tǒng)進行合路，因此從2G到3G技術(shù)的升級主要是設(shè)備的升級，而3G到4G的升級除了更多的設(shè)備升級外，合路器獲得了更多的應用，在實際室分系統(tǒng)建設(shè)當中，除非有MIMO的建設(shè)需求，否則普通的室分場景均是通過增加合路器的方式將新的系統(tǒng)擴充到原有系統(tǒng)當中。這樣在一些復雜的場景當中合路器輸入信號很多，以移動應用最多的三口合路器GSM&DCS/TDF&TDA/TDE為例，當2G、3G、4G全部接入時合路器承受的信號功率均值達到200W，峰值功率達到1200W，所以當合路器功率容量不足時，由于功率容量不足產(chǎn)生的功率波動，飛弧，及對器件長期工作造成的損傷都會造成現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)重量的極度下降。那么本文就從合路器的功率容量參數(shù)著手，分析合路器功率容量的影響因素進而提出以一定成本來提升合路器的功率容量。

二、合路器分類及工作原理

合路器按照使用頻率分為同頻合路器、異頻合路器、臨頻合路器；按照使用環(huán)境分為室外合路器、室內(nèi)合路器；按照濾波方式分為腔體合路器、微帶合路器；按照頻段數(shù)量分為單頻合路器、多頻合路器；合路器的作用是將兩個或兩個以上的信號合成一路信號輸出。包括單頻合路器和多頻合路器。單頻合路器主要用于同一頻段的信號合成，多頻合路器主要用于多個不同頻段，不同通信制式的信號的合成輸出，合路器特點如下：

1）低損耗同軸線傳輸；

2）可靠性高；

3）兼容多頻段；

4）品種豐富。

隨著技術(shù)的演進合路器向頻率多樣化、腔體結(jié)構(gòu)、室外型發(fā)展，本文也重點討論這一類合路器的功率容量提升方案。

單頻合路器的結(jié)構(gòu)原理與功分器類似，多頻合路器的原理與雙工器的原理類似。如下圖：

雙工器原理

功分器原理

三、合路器功率容量分析

合路器的技術(shù)參數(shù)主要有工作頻段、端口駐波比、帶內(nèi)波動、端口隔離第、帶外抑制、插入損耗、反射互調(diào)、功率容量。本文重點討論的是功率容量。所謂合路器的功率容量是指合路器在在輸入某一信號后，合路器出現(xiàn)飛弧數(shù)量少于5個，合路器信號功率波動范圍小于3dB，合路器駐波比小于1.5并且合路器的其他性能仍能滿足性能要求的極限功率。功率容量產(chǎn)生是由于射頻能量傳輸?shù)摹摆吥w效應” 阻抗變化將會引起信號的反射，傳輸介質(zhì)的溫度變化都會轉(zhuǎn)化為熱能，合路器本質(zhì)是由電阻和介質(zhì)構(gòu)成的，而電阻和介質(zhì)損耗所消耗產(chǎn)生的熱能均會導致合路器的老化、變形以及電壓飛弧現(xiàn)象，因此功率容限定義是由于最大輸入信號所引起的熱能不會引起問題的最大承受限度。而根據(jù)輸入信號的不同合路器的額功率容量又分為均值功率和峰值功率，在此有必要介紹下移動通信系統(tǒng)中不同的調(diào)制信號的CCDF曲線（峰值功率和均值功率的比值），不同系統(tǒng)信號不同載波的峰均比差異非常明顯。不同系統(tǒng)信號的峰均比如表1所示。

結(jié)合表1，再結(jié)合運營商的網(wǎng)絡(luò)部署模式，合路器的功率容量要求如表2所示。

表1

表2

由此可見合路器的在2G+3G+4G+wlan組網(wǎng)中，需要至少300W的引入，而現(xiàn)網(wǎng)的大多數(shù)多頻合路器是不滿足300W功率要求的，而當多頻合路器的功率容量不足時移動通信網(wǎng)絡(luò)問題將逐漸增多，主要表現(xiàn)在以下兩個方面：

1）器件局部微放電，造成頻譜擴張，產(chǎn)生寬帶干擾，影響多個系統(tǒng)。

2）器件擊穿而損壞，造成通信中斷。

四、造成合路器功率容量不足的原因

（1）合路器設(shè)計階段對功率預估不足

通過HFSS仿真軟件可以提前了解合路器的功率承載能力，但是由于移動網(wǎng)絡(luò)性能的需求不是固定的，我們不能按照系統(tǒng)最大的承載能力去設(shè)計，這樣的網(wǎng)絡(luò)投入產(chǎn)出比較低；但是也不能按照最低去設(shè)計，這樣的網(wǎng)絡(luò)可能在交付階段沒有問題，當隨著業(yè)務(wù)量爆發(fā)時問題就隨之而來了，因此對于合路器功率的預估非常關(guān)鍵。而從合路器目前的生產(chǎn)制造工藝來看，對于一款性能穩(wěn)定的合路器，生產(chǎn)廠家一般采用開模的工藝進行批量生產(chǎn)，一款合路器定型生產(chǎn)后成本會下降很多，但是如果定制化的提出大功率的合路器則成本相對增加很多，并且性能又很難得到保證。

（2）合路器自身對環(huán)境的敏感性

合路器采用的是機械結(jié)構(gòu)的諧振腔體來模擬LC電路實現(xiàn)信號的濾波的，而這種諧振腔體對環(huán)境的敏感度非常強，溫度的變化濕度的變化大氣壓強的變化都會造成器件性能的變化，特別是功率容量參數(shù)在環(huán)境溫度在+55℃以上時經(jīng)過實驗室及現(xiàn)場環(huán)境驗證發(fā)現(xiàn)，在300W功率下器件的飛弧數(shù)量會顯著提升，而一些合路器在機房等通風不良的場景中，在炎熱的夏季很容易置于在+55℃的環(huán)境下。

五、合路器功率容量提升方案

（1）提高單腔諧振器的尺寸

諧振頻率與諧振桿的高度有關(guān)，一般情況下將諧振頻率的四分之一波長作為諧振桿高度。采用HFSS軟件對單腔模型可以做本征模仿真，使其滿足預設(shè)的電路仿真參數(shù)，進而確定合路器單腔的尺寸，而在實際加工時調(diào)諧桿的長度一般取9mm，這樣可以進行頻率的微調(diào)同時還可以補償諧振桿的加工誤差。

（2）合路器采用腔體氣密性封裝工藝

在軍事和航空領(lǐng)域應用的合路器等微波器件為了克服惡劣的環(huán)境并提供可靠性會采用氣密性封裝來確保內(nèi)部導體與外部的環(huán)境進行隔絕；目前的合路器有室外型合路器及室內(nèi)型合路器，室內(nèi)性合路器僅是采用一些3M螺絲將蓋板與墻體進行緊固，合路器外部的環(huán)境條件依然會影響合路器的性能，而室外型合路器僅是增加了一條防水膠條，這樣使得合路器的防護等級勉強提升到IP65等級，但是在一些恒溫恒濕條件下合路器的性能依然會收到外界環(huán)境額影響，那如果采用軍工和航空領(lǐng)域的氣密性封裝技術(shù)如激光封焊和真空針焊，生產(chǎn)工藝會相對負責一些，此外成本也會有相應提升，在此本文建議采用全新的工藝方法來提升合路器的氣密性封裝，具體思路如下：

1）在合路器腔體上另鉆小孔，然后在合路器加工調(diào)測后在標準大氣壓下進行加熱封蓋；

2）封蓋后再到真空室或者手套箱內(nèi)再將小孔進行抽空密封；這樣合路器就獲得了一個良好的氣密性封裝。

六、高功率合路器在未來移動通信系統(tǒng)中的應用

隨著互聯(lián)網(wǎng)+概念的提出特別是移動互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，移動通信網(wǎng)絡(luò)無論是規(guī)模還是流量均快速增長，如何提供穩(wěn)定、高性能的移動通信網(wǎng)絡(luò)是電信運營商的長期的發(fā)展目標，本文在移動通信系統(tǒng)分布一層的合路器角度描述了多系統(tǒng)時由于合路器功率容量不足而造成網(wǎng)絡(luò)性能下降，因此解決合路器的功率容量問題是非常迫切的，通過目前對移動通信網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量問題產(chǎn)生的原因分析來看，由于微波器件功率容量不足而引起的網(wǎng)絡(luò)故障的比例在逐年增加，而且這種故障比例會隨著越來越多移動通信客戶的加入使得由于功率容量不足而引發(fā)的故障會更加大范圍的出現(xiàn)。本文提出的改進工藝對合路器的性能、成本不會有明顯的變化，甚至在于插入損耗上還較傳統(tǒng)合路器有所提升。因此獲得功率容量提升的合路器必將在更多的多系統(tǒng)合路的場景中獲得廣泛應用。同時對于提升現(xiàn)有移動通信網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量有非常大的幫助，助力電信運營商建造精品網(wǎng)絡(luò)，使得移動通信網(wǎng)絡(luò)以更快、更穩(wěn)的方式來服務(wù)移動用戶。