5G基站射頻電纜組件設(shè)計研究*

劉旭陽

（河南大學(xué)，河南 開封 475000）

0 引言

在移動通信技術(shù)持續(xù)發(fā)展的背景下，射頻電纜組件的技術(shù)要求不斷提高。怎么設(shè)計出高度可靠的射頻電纜組件，是設(shè)計階段需要考慮的首要問題。隨著5G 載波頻率的顯著提高和接入點吞吐量的大幅增長，傳統(tǒng)基站已無法滿足人們的需求，使得小型基站成為5G 網(wǎng)絡(luò)時代的主流。5G 的出現(xiàn)有力推動了小型基站的快速發(fā)展，使得建設(shè)小型基站成為一項重大挑戰(zhàn)。大量的小型基站用于繁忙的城市道路和大型建筑物。同時，小型基站要求更小的射頻組件，而5G 基站需要更加緊湊小巧的組件和更高的性能要求。為了實現(xiàn)小型化和低互調(diào)干擾，更好地滿足5G 網(wǎng)絡(luò)通信需求，需要積極改進射頻電纜組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計和性能[1]?；诖耍疚闹攸c探討用于小型5G 基站的射頻電纜組件，分析射頻電纜組件中的電纜、射頻轉(zhuǎn)接器的設(shè)計優(yōu)化，以滿足5G 需求的小型、低互調(diào)干擾的射頻電纜組件設(shè)計。

1 射頻電纜組件基本結(jié)構(gòu)與主要參數(shù)

1.1 組件構(gòu)成

射頻電纜組件主要由電纜和轉(zhuǎn)接器構(gòu)成（如圖1 所示），主要用于連接天線、射頻模塊或者做為內(nèi)部的連接線，實現(xiàn)高質(zhì)量的高頻低耗傳輸[2]。設(shè)計時需要考慮電纜、射頻轉(zhuǎn)接器的選用等因素。

圖1 射頻同軸電纜基本構(gòu)成

1.2 射頻電纜組件的核心參數(shù)

1.2.1 駐波比和回波損耗

射頻信號通過電纜收發(fā)時，常出現(xiàn)以下3 種情況：

（1）能量從組件輸入端傳遞到設(shè)備的另一端；

（2）通過電纜傳輸能量時，能量散發(fā)或泄漏；

（3）能量被反射回信號輸入端口。

第一種傳輸方式是正常的，后兩種傳輸方式是不正常的，需要盡量降低這部分能量損耗。但是，實踐中后兩種情況必然存在。在設(shè)計和應(yīng)用時，需要將后兩種情況的能量損失降至最低。電壓的駐波比和回波損耗均用于衡量反射信號的幅度，主要由特性阻抗失配引起。電壓的駐波比被定義為反射信號的峰谷比，回波損耗可以通過入射功率與反射功率之比的對數(shù)來計算。回波損耗與特性阻抗密切相關(guān)[3]。通常在設(shè)計電纜和轉(zhuǎn)接器時應(yīng)注意特性阻抗的匹配，但在實踐中需要測試回波損耗?；夭〒p耗是非常重要的性能參數(shù)，可用于確定電纜和轉(zhuǎn)接器是否滿足要求，還可以通過回波損耗來檢測是否存在組裝錯誤。隨著網(wǎng)絡(luò)頻譜的不斷提高，電纜組件回波損耗性能將受到很大影響，經(jīng)常需要在高頻下運行，對電纜組件的正常運行影響大。如何在高頻工作條件下確保電纜組件獲得良好的回波損耗性能是一個關(guān)鍵問題，也是本文的主要研究問題。

1.2.2 無源互調(diào)

當(dāng)前帶寬數(shù)據(jù)傳輸量越來越大，同時傳輸介質(zhì)中往往存在多個頻率的信號且具有明顯的非線性特性。多個頻率的信號混雜將產(chǎn)生無源互調(diào)信號，如果無源互調(diào)信號在基站接收頻率范圍內(nèi)，就會降低接收器靈敏度，造成通話質(zhì)量下降、基站信號覆蓋范圍縮小以及傳輸容量變小[4]等問題。5G 網(wǎng)絡(luò)頻譜資源緊缺，為了增加系統(tǒng)容量，共站變得越來越普遍。同時，接收機靈敏度繼續(xù)提高，使得互調(diào)干擾對通信系統(tǒng)的影響越來越大，不僅會影響系統(tǒng)，還會對其他通信造成干擾。因此，如何減少互調(diào)干擾成為5G 的重要研究課題。為解決這個問題，目前比較理想的方式是實測互調(diào)信號，以確定射頻設(shè)備互調(diào)性能是否滿足要求。它的影響因素主要包括非線性材料的存在或不合理的觸點結(jié)構(gòu)、電鍍層質(zhì)量、接觸表面的質(zhì)量、組裝過程以及測試技術(shù)等。

電纜組件必須滿足一定的互調(diào)干擾性能要求。許多電纜組件位于戶外，工作環(huán)境比較惡劣，因此測試互調(diào)時應(yīng)模擬實際的應(yīng)用需求并執(zhí)行必要的機械運動。IEC 62037-2 國際標(biāo)準(zhǔn)定義了同軸電纜組件的動態(tài)互調(diào)測試的標(biāo)準(zhǔn)。圖2 為測試系統(tǒng)的設(shè)置示意圖。

圖2 互調(diào)干擾測試系統(tǒng)的設(shè)置

1.2.3 特性阻抗

基于電磁波的傳輸原理，當(dāng)信號傳輸線長度無限時，任何點的電壓和電流都可以視為入射波和反射波的疊加，且入射波電壓、電流之比等于反射波的電壓、電流之比，該比率稱為特性阻抗。最常用的射頻同軸電纜是特性阻抗為50 Ω 的電纜，特性阻抗的大小取決于電纜的內(nèi)外導(dǎo)體的直徑以及絕緣介質(zhì)的介電常數(shù)。理論上，只要電纜的同軸度保持不變，特性阻抗就不會改變，從而確保信號高效傳輸。但在實踐中沒有完全相同阻抗的電纜，由于生產(chǎn)工藝和材料的限制，電纜的特性阻抗始終略有變化而引發(fā)信號反射，進而導(dǎo)致信號傳輸時產(chǎn)生能量損失，同時干擾信號源，使電纜無法正常使用。射頻轉(zhuǎn)接器需要和電纜特性阻抗匹配，而兩者的連接部位的導(dǎo)體直徑突然改變。特別是對于波紋電纜轉(zhuǎn)接器，還存在導(dǎo)體形狀不規(guī)則變化的問題。如何確保阻抗匹配，是轉(zhuǎn)接器器設(shè)計的關(guān)鍵問題之一。如果電纜內(nèi)外導(dǎo)體直徑公差范圍一致，則電纜的特性阻抗與其直徑成反比，需要合理控制必須公差范圍來確保電纜的特性阻抗不變[5]。同時，絕緣介質(zhì)相對介電常數(shù)需要穩(wěn)定，且對其發(fā)泡密度和同心度也有較高的要求。在設(shè)計電纜轉(zhuǎn)接器時，小型化已成為必然趨勢。同樣，小型化對轉(zhuǎn)接器的尺寸公差范圍提出了更嚴格的要求，否則將導(dǎo)致阻抗失配，影響電纜組件的電氣性能。

1.2.4 衰減特性

射頻信號通過電纜傳輸?shù)倪^程中，一些能量會轉(zhuǎn)換為熱量并被傳輸介質(zhì)吸收，導(dǎo)致電纜變熱造成能量損耗，這是電纜的衰減損耗。衰減與電纜的長度、頻率成正比，同時較小尺寸的電纜的衰減更大。因此，電纜小型化會導(dǎo)致衰減增加，是負面影響。但是，小型基站的高度大多低于10 m，可以抵消電纜小型化帶來的衰減增加。因此，對于5G 網(wǎng)絡(luò)來說，衰減并非主要問題[6]。選擇小型電纜時，主要按照長度、頻率計算衰減特性是否滿足要求。因為轉(zhuǎn)接器的長度比電纜短很多，所以轉(zhuǎn)接器衰減僅有0.05 dB左右。因此，衰減是電纜的重要參數(shù)，但是在設(shè)計轉(zhuǎn)接器時不是重點考慮的因素。

2 同軸電纜的結(jié)構(gòu)和選用

射頻同軸電纜是由兩個絕緣的中心同軸導(dǎo)體和外部導(dǎo)體形成的電流回路，主要由內(nèi)部導(dǎo)體、外部導(dǎo)體、絕緣介質(zhì)和護套構(gòu)成。應(yīng)用比較廣泛的射頻同軸電纜包括波紋管同軸電纜、光滑壁同軸電纜、雙絞同軸電纜和特殊泄漏同軸電纜。其中，內(nèi)部導(dǎo)體主要有絞合芯導(dǎo)體、實芯銅導(dǎo)體等，采用無氧銅結(jié)構(gòu)增加抗拉強度，減少重量。實芯銅導(dǎo)體外表面平整光滑，損耗更小，信號反射更少，比絞合芯線導(dǎo)體柔韌性好但損耗較大。大型電纜常用銅包鋁或其他材料作為內(nèi)部導(dǎo)體。由于射頻信號在內(nèi)外部導(dǎo)體之間的絕緣介質(zhì)中傳輸，因此內(nèi)部導(dǎo)體的表面狀況對信號傳輸?shù)挠绊懞艽?。如果表面不光滑，信號反射將大大增加，?dǎo)致回波損耗增加，造成信號衰減嚴重。因此，內(nèi)部導(dǎo)體表面必須平整光滑，導(dǎo)線直徑必須均勻。

絕緣介質(zhì)主要是用來防止徑向泄漏電流，同時支撐內(nèi)外導(dǎo)體，確保結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。絕緣介質(zhì)層的材料的介電常數(shù)要足夠小且穩(wěn)定，目的是最大限度地降低損耗。同時，絕緣介質(zhì)層的材料機械強度要滿足要求，確保內(nèi)外導(dǎo)體同心度和特性阻抗值穩(wěn)定。實踐中應(yīng)用較多的絕緣介質(zhì)材料包括聚聚全氟乙烯丙烯（FEP）、聚乙烯（PE）、聚醚醚酮（PEEK）或二氧化硅（SiO2）以及四氟乙烯（PTFE）等。為降低損耗，可以采用拉伸、發(fā)泡等方式降低材料密度，從而得到更低的介電常數(shù)。實踐中也會用到空氣絕緣介質(zhì)。使用空氣絕緣介質(zhì)的電纜往往用于對信號衰減、通信功率要求嚴格的場景，如廣播電視使用的饋線。

除了傳輸射頻信號外，外部導(dǎo)體還起到重要的屏蔽作用，主要結(jié)構(gòu)形式是金屬波紋管、鍍錫銅線等。其中，金屬波紋管在基站中使用最多。

電纜防護套也具有許多結(jié)構(gòu)形狀，主要起保護作用，不但對嚴苛工況中的電纜起到保護作用，還能提高電纜屏蔽層結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，從而保證電纜的電氣性能。防護套的常見材料包括聚氯乙烯（PVC）、聚乙烯（PE）等，作用是保護電纜內(nèi)部結(jié)構(gòu)，增強電纜的耐磨性和耐腐蝕性。

外導(dǎo)體為波紋管的同軸電纜具有低波率、低衰減以及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等優(yōu)點，因此優(yōu)先選用。電纜結(jié)構(gòu)比較簡單，不需要復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以從現(xiàn)有產(chǎn)品中選擇，主要是對電纜的性能進行優(yōu)化設(shè)計。小型基站基本構(gòu)成如圖3 所示。

圖3 小型基站的基本結(jié)構(gòu)

由圖3 可知，小型基站的天線的集成度很高，電纜的可用連接空間很小，且多數(shù)小安裝在密封管中或配合路燈柱使用。因此，常規(guī)的1/2″電纜不適用于小型基站，使用較多的是波紋管同軸電纜。例如，6 端口的天線使用1/4″電纜比使用與1/2″電纜節(jié)省40%空間。連接的天線端口越多，節(jié)省的空間越多，因此5G 小基站可以選用1/4″波紋管電纜。

3 低互調(diào)轉(zhuǎn)接器設(shè)計與仿真分析

3.1 低互調(diào)轉(zhuǎn)接器設(shè)計

設(shè)計轉(zhuǎn)接器時需要盡量降低互調(diào)干擾：互調(diào)性能優(yōu)于7/16DIN，且最好可以進行動態(tài)互調(diào)測試；小型化，即尺寸接近N 型轉(zhuǎn)接器；回波損耗性能良好原則，并結(jié)合根據(jù)實際需求進行設(shè)計優(yōu)化。

在明確需求的情況下，設(shè)計轉(zhuǎn)接器的基本思路如下：

（1）采用最簡潔有效的結(jié)構(gòu)，不但能夠有效減少不連續(xù)點，也有助于提升電氣性能和機械可靠性；

（2）力求阻抗、標(biāo)稱特性阻抗匹配，實現(xiàn)阻抗均勻分布，最大限度地減少信號反射；

（3）對無法消除的不連續(xù)點采取共面補償措施，最大限度地減少集中信號反射，即基于不連續(xù)點的電特性（電容或電感）在附近引入電感或電容區(qū)域，使不連續(xù)點附近“平均阻抗”接近標(biāo)稱特性阻抗。

可以改進結(jié)構(gòu)設(shè)計，以實現(xiàn)低互調(diào)要求。彈性觸點必須由良好的彈性材料制成，如鈹銅合金或錫磷青銅，并經(jīng)過熱處理確保機械耐力測試后擁有穩(wěn)定的接觸壓力和低接觸電阻。轉(zhuǎn)接器內(nèi)外導(dǎo)體結(jié)構(gòu)集成度越高越好，盡量減少結(jié)點數(shù)量，采用銀涂層，以有效減少無源互調(diào)和接觸電阻，但銀本身易氧化，表面變色，會影響互調(diào)性能。三元合金鍍鋅層的接觸電阻和互調(diào)比較接近銀涂層，而耐磨性比銀涂層更好，因此可以選用三元合金鍍鋅層。此外，需要注意接觸表面清潔平整無異物，不得有毛刺、刨花、壓碎、凹陷或裂紋等，以免增加互調(diào)干擾。新型轉(zhuǎn)接器截面如圖4 所示。

圖4 新型轉(zhuǎn)接器截面結(jié)構(gòu)

新轉(zhuǎn)接器結(jié)構(gòu)寬頻設(shè)計能夠確保轉(zhuǎn)接器兼容同軸電纜組件，滿足擴頻需求。本次設(shè)計的轉(zhuǎn)接器內(nèi)外導(dǎo)體采用一體化設(shè)計，大大減少了不連續(xù)點數(shù)量。內(nèi)外導(dǎo)體與電纜之間的連接處均經(jīng)過焊接，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好。內(nèi)部導(dǎo)體由鍍銀鈹銅材料制成。經(jīng)過精密的機械加工、熱處理和機械耐久性測試，該彈性接觸片可以保持穩(wěn)定可靠的接觸壓力和低接觸電阻。外導(dǎo)體由涂有黃銅的三元合金材料組成。在保證電氣性能的基礎(chǔ)上，它可以滿足惡劣工況下的測試要求，并保持良好的工作性能。

3.2 轉(zhuǎn)接器仿真分析

通過仿真軟件對結(jié)構(gòu)進行仿真優(yōu)化，仿真結(jié)果顯示回波損耗（ReturnLoss，RL）基本都在-30 dB以下。因為轉(zhuǎn)接器的實際安裝誤差、加工精度等因素的影響，轉(zhuǎn)接器結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果和實際結(jié)果有一定的誤差，還要實際加工樣本并進行實測才能驗證仿真結(jié)論。實測結(jié)果如圖5 所示，設(shè)計的低互調(diào)連接器結(jié)構(gòu)回波損耗性能良好。將轉(zhuǎn)接器與1/4″電纜組裝起來，對射頻同軸電纜組件原型進行實際測試，結(jié)果顯示組件的回波損耗性能良好，如圖6 所示。此外，對電纜組件互調(diào)干擾進行實際測試，測試結(jié)果顯示組件的互調(diào)性能良好，如圖7 所示。

圖5 轉(zhuǎn)接器回波損耗測試

圖6 電纜組件轉(zhuǎn)接器回波損耗測試

圖7 電纜組件互調(diào)干擾測試

4 結(jié)語

綜上所述，基于小型5G 基站性能要求，明確同軸電纜組件設(shè)計要求為寬頻帶、低互調(diào)和小型化。基于低互調(diào)、低回波損耗的設(shè)計原理，對轉(zhuǎn)接器、電纜之間的連接結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。測試表明，在0～6 GHz 全頻段回波損耗性能良好，互調(diào)干擾（Intermodulation Distortion，IMD）測試結(jié)果遠超指標(biāo)要求，完全滿足小型5G 基站的要求。