高性能无源器件在网络中的应用

庞 伟 中捷通信有限公司检测校准中心工程师

梁清林 中国电信股份有限公司广州研究院工程师

1 引言

2010年起，广东电信在多个地市基站陆续发现，近信源端的无源器件在使用一段时间后，出现基站整个底噪整体抬升，出现RSSI告警的异常现象。后经笔者邀约泰尔实验室现场共同调研试验后发现，是由于现网功率超出无源器件的功率容限，产生“飞弧”现象所致。多年来，由于笔者长期从事对无线领域器件的入网到货测试和选型测试，亦就加强了对相关产品其进行了多年的情况跟踪和总结。

目前，国内各大运营商LTE网络的建设与完善，在室内分布系统中同时承载着2/3/4G及WLAN等多制式、多系统的情况越来越多，室内分布系统由原先的小容量、单制式、窄带通信（峰值功率小）模式向多制式、多载波、大容量、高数据业务、宽带通信（峰均比值大）的模式发展。在室分系统中承担着重要角色的无源器件在新的无线分布系统环境下，原有的性能指标面临着严峻的挑战。

本文立足于现网发展需要，分析了满足多分布系统下的高性能无源器件的应用与价值。

2 高性能无源器件的需求背景

室分无源器件主要包括耦合器、功分器、合路器、电桥、衰减器、负载等，其主要关键性能指标参见表1。

常规无源器件由于在设计、材料及工艺上的局限性，使其面临着以下突出问题：

（1）多系统共分布下，面临的突出问题

在多系统共分布下，常规无源器件的无源互调、系统隔离实现难度大，容易造成多系统间的相互干扰；同时，由于器件承受的峰值功率更高，容易发生打火现象，产生带内杂散，从而干扰上行通信。

（2）系统扩容时，面临的突出问题

在室内分布系统扩容时，由于基站载波数量增加，容量扩大，可能超出常规无源器件设计时所能承受的功率容限；同时，由于常规无源器件长期工作在超负荷环境下，加速了无源器件的老化，影响了室内分布系统的稳定性和可靠性。

表1 无源器件关键指标

因此，在常规无源器件的基础上，开发具备承载功率容限更大，互调指标更优，可靠性更强的无源器件势在必行，以满足室内分布系统不断发展的需要。

3 高性能无源器件的主要特点

高性能无源器件又称高品质无源器件，是指在常规无源器件的基础上，为满足更高的网络应用需求而开发的，较常规无源器件拥有更加优越的指标性能，具有功率容限大、低互调、可靠性强等突出特点。

3.1 功率容限与无源互调对网络的影响及危害

（1）功率容限对网络的影响及危害

射频信号在能量表现表现形式上有两种，一种平均功率，另一种是在峰值功率。平均功率就是系统输出的实际功率，峰值功率是指以某种概率出现的肩峰的瞬态功率，一般CCDF取0.01%。

当射频信号通过无源器件时，无源器件的功率容限可分解为平均功率容限和峰值功率容限（见图1）。

图1 功率容限分解图

当射频信号的平均功率超出无源的平均功率容限时，在“趋肤效应”下，会加速无源器件的氧化、老化。器件的氧化和老化使阻抗变化，引起信源失配，驻波变大，反射信号加大等情况，从而进一步加大无源器件的发热现象，使无源器件积温、氧化、老化出现恶循环，最终大大的降低其可靠性、稳定性及使用寿命。

当射频信号的峰值功率超出无源器的峰值功率容限时，容易产生飞弧现象。飞弧现象俗称“打火”，是在高低电压两电极之间产生的非正常直接放电现象。其产生的原因与高电压、绝缘材料差、导体存在毛刺、工作环境湿度大等因素有关。

飞弧现象使无源器件发生局部微放电，造成频谱扩张，产生宽带干扰，影响多个系统；严重时直接击穿烧坏无源器件，引起网络中断，同时由于使信号出现反射或全反射，导致信源损坏。

（2）无源互调对网络的影响及危害

无源互调是两个以上不同频率的信号，同时作用在具有非线性特性的无源器件时，产生的一系列无源互调产物，其表达式为：IMP（互调生成物）＝nf1+mf2，n、m=1、2、3等。

其中，3阶互调频率（2f1-f2）对接收频段的干扰最大（见图2）。

图2 无源互调产物

当无源互调产物落入移动通信上行接收频段时，将导致正常信号无法正常通信。具体表现为：

●产生邻频干扰或同频干扰，通话质量下降。

●基站干扰等级受互调信号影响。

●造成相邻系统无法正常运行。

3.2 高性能无源器件性能的优化与改进

针对常规无源器件在多分布系统下存在的不足，高性能无源器件需要在设计、材料及工艺上进行优化，改进，以满足网络应用的需求。

（1）优化设计方案

首先，在设计目标上，在满足现网需求的同时，应兼容未来网络扩容、发展的需要进行设计；其次，在材料设计上，采用电性能优、承受功率强、互调低、稳定性高的材料；最后，在设计工艺上，采用一次压铸成型，密闭无缝隙，具备防尘防水等设计。

（2）优化无源器件生产工艺和使用材质

●内导体工艺和材质要求

导体上尖锐的毛刺是飞弧和打火的重要条件，因此高性能无源器件内导体表面必须光滑整洁，在弯角处（特别是90°弯角处），进行弧度平滑过渡处理，不出现任何尖角、毛刺，具体参见图3；为确保内导体的传导性能、可靠性及使用寿命，内导体建议采用铍青铜镀银的材质，加工时，采用压铸加工方式，一体成型，同时对表面进行多层电镀，最外层采用渡金或镀银处理。

图3 高性能内导体图

●腔体工艺和材质要求

为确保高性能无源器件在不同环境下，能满足网络应用需求，腔体的生产加工应采用无缝隙泄露工艺（见图4），使其具有优越的屏蔽效能，既防止信号外泄，隔绝外部信号干扰，又满足防尘、防水、防霉菌、抗氧化等要求，大大提高其稳定性与可靠性。

图4 腔体工艺对比图

腔体在材质上优先采用合金铝型材，并进行多层电镀处理，使表面光亮整洁、无缺损、无杂质残留。金铝型材较挤压型铝材，具有密度好、寿命长、易加工、抗腐蚀、高韧性、不变形、易抛光等诸多优点。

●连接器工艺和材质要求

为确保连接器在多次的插拔过程中的可靠性，内芯和外导体要求不易变形，稳定性高，延展性强，导电性优。

在连接器选用类型上，建议优先采用DIN型连接器。DIN型连接器相对于N型连接器，具有性能指标优良，功率容限高，互调指标优，可靠性强等优点。其不足之处是体积较大、重量较重、工艺要求高，成本较高。

在连接器的生产工艺上，内芯和外导体应一体化完成，内芯体固定无转动，且采用多层电镀工艺，最外层采用渡金或银，提高其稳定性和使用寿命（见图5）。

图5 高性能DIN型连接器

内芯材料是连接器性能的关键因素。内导体常用材质主要有铍青铜、锡青铜、黄铜。3种材质都具有优良导电性能，但在金属延展性和弹性上，铍青铜最好，锡青铜次之，黄铜相对较差。内芯金属延展性、弹性是连接器插拔次数和可靠性的重要保障，因此在连接器在内芯使用材料上，优先推荐先使用铍青铜，其次锡青铜；在连接器外导体上，优先使用黄铜或三元合金材质，其相对常规的锌合金材料，具有电性能稳定、精度高、材质硬、不易变型、可靠性强等优点。

4 高性能无源器件的应用与价值

4.1 在网络中的应用要求

高性能无源器件具体在网络中的使用要求，与其所在网络中的位置相关。根据无源器件与信源的距离，可将无源器件在网络中使用的位置，划分为一级、二级、三级至N级。一级为信源端出来的下一级，连接一级无源器件的下一个无源器件为二级，依此类推，至末端的N级（见图6）。

理论上，越是靠近信源端的位置，其对网络的影响和干扰越大，其承受的功率及互调要求也越高。

信源端至一级无源器件的信号插损主要为馈线与连接器插损，约为0.2dB；其余级间插损主要为馈线、连接器和级间无源器件的插损，馈线与连接器的插损按0.6dB计，级间无源器件插损按0.8dB计（实际插损与频率、馈线长短、无源器件类型、施工质量相关），则级间插损为1.4dB；按信源每载波发射功率43dBm计，其功率容限及互调应用要求如下：

（1）功率容限在各级网络中的应用要求

在不同发射模式下，前几级无源器件承受的峰值功率如表2所示。

表2 不同发射模式下的功率对应表

由表2分析可知，在不同发射模式下，特别是在多载波（载波数大于3）的情况下，其峰值功率承受要求有明显的差异；同时，峰值功率逐级递减，前三级在网络中承受着较高的峰值功率。在不同共网模式下，前3级功率容限建议如表3所示。

图6 无源器件在网络中的使用位置

表3 多系统共网峰值功率容限

在实际的应用中，应以器件所处网络位置的实际承受功率总和，结合未来扩容需求，及成本预算，确定其功率容限。

（2）无源互调在各级网络中的应用要求

无源互调产生的上行干扰信号强度，其计算公式为：Pt=P+Pm-Ls。

其中，Pt为上行信号干扰强度，P为输入功率，Pm为器件互调值，Ls为无源器件至信源端损耗。

设每载波输出功率P=43dBm，减去各级间的损耗，则前三级的互调输入功率分别为42.8、41.4、40.0dBm。当高性能无源器件的互调值取不同值时，各级间产生对上行干扰信号值参见表4。

表4 干扰信号强度表

在表4中，数值结合各分布系统干扰信号抑制要求可知，在一级处（承受功率＞42.8dBm）高性能无源器件的互调值应优于-150dBc，二级处（承受功率＞41.4dBm）应优于-145dBc，三级处（承受功率＞40dBm）应优于-140dBc。

4.2 应用场景

（1）室分系统改造

系统扩容改造时，室分系统承载的功率变大，原有的不少设器件或老化或者指标恶化，无法满足使用要求，必须更换性能更优的高性能无源器件。

（2）新建室分系统

新建室分系统场景承载话务大，场景复杂，系统合路多，功率大，需要性能更具优越的高性能无源器件来满足大功率、低互调、稳定性高、可靠性强的网络应用需求。

4.3 应用价值

（1）改善网络质量

高性能无源器件由于其功率容限大，互调低等的突出特点，有利于降低系统带间干扰，改善网络质量，降低系统损耗，提升系统的整体功率，延伸网络覆盖范围。同时，为后期网络的升级、扩容提供足够的硬件余量。

（2）降低维护成本

高性无源器件相比常规无源器件的成本要高出许多。但由于其先进的设计工艺，优越的产品材质，使其使用寿命比常规无源器件更长，稳定性更高，可靠性更强，大大降低了无源器件的故障率，从而为后期网络的运营维护节约了大量的人力、物力和时间成本。同时，减少了因器件质量引起的用户感知下降带来的一系列隐性损失。

5 结束语

综合上述，在效果上，高性能无源器件主要应用在室分网络的改造或新建中，而从目前网络特点来看无论从话务量和数据流量需求量来自于室内分布系统，80%的投诉来自于室内分布，80%的流量产生亦来自室内分布系统，覆盖网络热点地区的室内分布直接影响用户感知，所以室内分布系统特别是网络的前三级，对改善网络质量，具有显著的效果；使用高品质高性能无源器件在为后期室内分布系统网络改造，为后期引入分布式室内天线改造，话务分流和数据分流提供了坚实的基础，在前期投资效益上，高性能无源器件的前期投入较常规无源器件高，但其后期的综合收益更明显，节省了运维成本和降低故障率和由于故障产生而产生排查人工成本和物业协调、现场进场施工保险费用和现场物业要求装修修复等的费用，为后期新技术引入夯实了基础。从建设精品网络，切实提升用户感知上讲，高性能无源器件更符合未来网络发展的需求。

1 潘冲.浅析射频无源器件应用对无线通信的影响.电信网技术.2014,6

2 Duplicy J,Badic B.MU-MIMO in LTE systems.EURASIP Journalon Wireless Communications and Networking

3 杜援等.浅谈移动通信系统中互调干扰的产生和排查数字技术与应用.2014,3

4 薛楠.LTE室内分布系统建设方案研究.邮电设计技术.2013,1

5 刘莉等.TD-LTE系统与WCDMA及TD-SCDMA系统干扰共存分析.广东通信技术.2010,7