高性能無源器件在網絡中的應用

龐 偉 中捷通信有限公司檢測校準中心工程師

梁清林 中國電信股份有限公司廣州研究院工程師

1 引言

2010年起，廣東電信在多個地市基站陸續發現，近信源端的無源器件在使用一段時間后，出現基站整個底噪整體抬升，出現RSSI告警的異常現象。后經筆者邀約泰爾實驗室現場共同調研試驗后發現，是由于現網功率超出無源器件的功率容限，產生“飛弧”現象所致。多年來，由于筆者長期從事對無線領域器件的入網到貨測試和選型測試，亦就加強了對相關產品其進行了多年的情況跟蹤和總結。

目前，國內各大運營商LTE網絡的建設與完善，在室內分布系統中同時承載著2/3/4G及WLAN等多制式、多系統的情況越來越多，室內分布系統由原先的小容量、單制式、窄帶通信（峰值功率小）模式向多制式、多載波、大容量、高數據業務、寬帶通信（峰均比值大）的模式發展。在室分系統中承擔著重要角色的無源器件在新的無線分布系統環境下，原有的性能指標面臨著嚴峻的挑戰。

本文立足于現網發展需要，分析了滿足多分布系統下的高性能無源器件的應用與價值。

2 高性能無源器件的需求背景

室分無源器件主要包括耦合器、功分器、合路器、電橋、衰減器、負載等，其主要關鍵性能指標參見表1。

常規無源器件由于在設計、材料及工藝上的局限性，使其面臨著以下突出問題：

（1）多系統共分布下，面臨的突出問題

在多系統共分布下，常規無源器件的無源互調、系統隔離實現難度大，容易造成多系統間的相互干擾；同時，由于器件承受的峰值功率更高，容易發生打火現象，產生帶內雜散，從而干擾上行通信。

（2）系統擴容時，面臨的突出問題

在室內分布系統擴容時，由于基站載波數量增加，容量擴大，可能超出常規無源器件設計時所能承受的功率容限；同時，由于常規無源器件長期工作在超負荷環境下，加速了無源器件的老化，影響了室內分布系統的穩定性和可靠性。

表1 無源器件關鍵指標

因此，在常規無源器件的基礎上，開發具備承載功率容限更大，互調指標更優，可靠性更強的無源器件勢在必行，以滿足室內分布系統不斷發展的需要。

3 高性能無源器件的主要特點

高性能無源器件又稱高品質無源器件，是指在常規無源器件的基礎上，為滿足更高的網絡應用需求而開發的，較常規無源器件擁有更加優越的指標性能，具有功率容限大、低互調、可靠性強等突出特點。

3.1 功率容限與無源互調對網絡的影響及危害

（1）功率容限對網絡的影響及危害

射頻信號在能量表現表現形式上有兩種，一種平均功率，另一種是在峰值功率。平均功率就是系統輸出的實際功率，峰值功率是指以某種概率出現的肩峰的瞬態功率，一般CCDF取0.01%。

當射頻信號通過無源器件時，無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（見圖1）。

圖1 功率容限分解圖

當射頻信號的平均功率超出無源的平均功率容限時，在“趨膚效應”下，會加速無源器件的氧化、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，反射信號加大等情況，從而進一步加大無源器件的發熱現象，使無源器件積溫、氧化、老化出現惡循環，最終大大的降低其可靠性、穩定性及使用壽命。

當射頻信號的峰值功率超出無源器的峰值功率容限時，容易產生飛弧現象。飛弧現象俗稱“打火”，是在高低電壓兩電極之間產生的非正常直接放電現象。其產生的原因與高電壓、絕緣材料差、導體存在毛刺、工作環境濕度大等因素有關。

飛弧現象使無源器件發生局部微放電，造成頻譜擴張，產生寬帶干擾，影響多個系統；嚴重時直接擊穿燒壞無源器件，引起網絡中斷，同時由于使信號出現反射或全反射，導致信源損壞。

（2）無源互調對網絡的影響及危害

無源互調是兩個以上不同頻率的信號，同時作用在具有非線性特性的無源器件時，產生的一系列無源互調產物，其表達式為：IMP（互調生成物）＝nf1+mf2，n、m=1、2、3等。

其中，3階互調頻率（2f1-f2）對接收頻段的干擾最大（見圖2）。

圖2 無源互調產物

當無源互調產物落入移動通信上行接收頻段時，將導致正常信號無法正常通信。具體表現為：

●產生鄰頻干擾或同頻干擾，通話質量下降。

●基站干擾等級受互調信號影響。

●造成相鄰系統無法正常運行。

3.2 高性能無源器件性能的優化與改進

針對常規無源器件在多分布系統下存在的不足，高性能無源器件需要在設計、材料及工藝上進行優化，改進，以滿足網絡應用的需求。

（1）優化設計方案

首先，在設計目標上，在滿足現網需求的同時，應兼容未來網絡擴容、發展的需要進行設計；其次，在材料設計上，采用電性能優、承受功率強、互調低、穩定性高的材料；最后，在設計工藝上，采用一次壓鑄成型，密閉無縫隙，具備防塵防水等設計。

（2）優化無源器件生產工藝和使用材質

●內導體工藝和材質要求

導體上尖銳的毛刺是飛弧和打火的重要條件，因此高性能無源器件內導體表面必須光滑整潔，在彎角處（特別是90°彎角處），進行弧度平滑過渡處理，不出現任何尖角、毛刺，具體參見圖3；為確保內導體的傳導性能、可靠性及使用壽命，內導體建議采用鈹青銅鍍銀的材質，加工時，采用壓鑄加工方式，一體成型，同時對表面進行多層電鍍，最外層采用渡金或鍍銀處理。

圖3 高性能內導體圖

●腔體工藝和材質要求

為確保高性能無源器件在不同環境下，能滿足網絡應用需求，腔體的生產加工應采用無縫隙泄露工藝（見圖4），使其具有優越的屏蔽效能，既防止信號外泄，隔絕外部信號干擾，又滿足防塵、防水、防霉菌、抗氧化等要求，大大提高其穩定性與可靠性。

圖4 腔體工藝對比圖

腔體在材質上優先采用合金鋁型材，并進行多層電鍍處理，使表面光亮整潔、無缺損、無雜質殘留。金鋁型材較擠壓型鋁材，具有密度好、壽命長、易加工、抗腐蝕、高韌性、不變形、易拋光等諸多優點。

●連接器工藝和材質要求

為確保連接器在多次的插拔過程中的可靠性，內芯和外導體要求不易變形，穩定性高，延展性強，導電性優。

在連接器選用類型上，建議優先采用DIN型連接器。DIN型連接器相對于N型連接器，具有性能指標優良，功率容限高，互調指標優，可靠性強等優點。其不足之處是體積較大、重量較重、工藝要求高，成本較高。

在連接器的生產工藝上，內芯和外導體應一體化完成，內芯體固定無轉動，且采用多層電鍍工藝，最外層采用渡金或銀，提高其穩定性和使用壽命（見圖5）。

圖5 高性能DIN型連接器

內芯材料是連接器性能的關鍵因素。內導體常用材質主要有鈹青銅、錫青銅、黃銅。3種材質都具有優良導電性能，但在金屬延展性和彈性上，鈹青銅最好，錫青銅次之，黃銅相對較差。內芯金屬延展性、彈性是連接器插拔次數和可靠性的重要保障，因此在連接器在內芯使用材料上，優先推薦先使用鈹青銅，其次錫青銅；在連接器外導體上，優先使用黃銅或三元合金材質，其相對常規的鋅合金材料，具有電性能穩定、精度高、材質硬、不易變型、可靠性強等優點。

4 高性能無源器件的應用與價值

4.1 在網絡中的應用要求

高性能無源器件具體在網絡中的使用要求，與其所在網絡中的位置相關。根據無源器件與信源的距離，可將無源器件在網絡中使用的位置，劃分為一級、二級、三級至N級。一級為信源端出來的下一級，連接一級無源器件的下一個無源器件為二級，依此類推，至末端的N級（見圖6）。

理論上，越是靠近信源端的位置，其對網絡的影響和干擾越大，其承受的功率及互調要求也越高。

信源端至一級無源器件的信號插損主要為饋線與連接器插損，約為0.2dB；其余級間插損主要為饋線、連接器和級間無源器件的插損，饋線與連接器的插損按0.6dB計，級間無源器件插損按0.8dB計（實際插損與頻率、饋線長短、無源器件類型、施工質量相關），則級間插損為1.4dB；按信源每載波發射功率43dBm計，其功率容限及互調應用要求如下：

（1）功率容限在各級網絡中的應用要求

在不同發射模式下，前幾級無源器件承受的峰值功率如表2所示。

表2 不同發射模式下的功率對應表

由表2分析可知，在不同發射模式下，特別是在多載波（載波數大于3）的情況下，其峰值功率承受要求有明顯的差異；同時，峰值功率逐級遞減，前三級在網絡中承受著較高的峰值功率。在不同共網模式下，前3級功率容限建議如表3所示。

圖6 無源器件在網絡中的使用位置

表3 多系統共網峰值功率容限

在實際的應用中，應以器件所處網絡位置的實際承受功率總和，結合未來擴容需求，及成本預算，確定其功率容限。

（2）無源互調在各級網絡中的應用要求

無源互調產生的上行干擾信號強度，其計算公式為：Pt=P+Pm-Ls。

其中，Pt為上行信號干擾強度，P為輸入功率，Pm為器件互調值，Ls為無源器件至信源端損耗。

設每載波輸出功率P=43dBm，減去各級間的損耗，則前三級的互調輸入功率分別為42.8、41.4、40.0dBm。當高性能無源器件的互調值取不同值時，各級間產生對上行干擾信號值參見表4。

表4 干擾信號強度表

在表4中，數值結合各分布系統干擾信號抑制要求可知，在一級處（承受功率＞42.8dBm）高性能無源器件的互調值應優于-150dBc，二級處（承受功率＞41.4dBm）應優于-145dBc，三級處（承受功率＞40dBm）應優于-140dBc。

4.2 應用場景

（1）室分系統改造

系統擴容改造時，室分系統承載的功率變大，原有的不少設器件或老化或者指標惡化，無法滿足使用要求，必須更換性能更優的高性能無源器件。

（2）新建室分系統

新建室分系統場景承載話務大，場景復雜，系統合路多，功率大，需要性能更具優越的高性能無源器件來滿足大功率、低互調、穩定性高、可靠性強的網絡應用需求。

4.3 應用價值

（1）改善網絡質量

高性能無源器件由于其功率容限大，互調低等的突出特點，有利于降低系統帶間干擾，改善網絡質量，降低系統損耗，提升系統的整體功率，延伸網絡覆蓋范圍。同時，為后期網絡的升級、擴容提供足夠的硬件余量。

（2）降低維護成本

高性無源器件相比常規無源器件的成本要高出許多。但由于其先進的設計工藝，優越的產品材質，使其使用壽命比常規無源器件更長，穩定性更高，可靠性更強，大大降低了無源器件的故障率，從而為后期網絡的運營維護節約了大量的人力、物力和時間成本。同時，減少了因器件質量引起的用戶感知下降帶來的一系列隱性損失。

5 結束語

綜合上述，在效果上，高性能無源器件主要應用在室分網絡的改造或新建中，而從目前網絡特點來看無論從話務量和數據流量需求量來自于室內分布系統，80%的投訴來自于室內分布，80%的流量產生亦來自室內分布系統，覆蓋網絡熱點地區的室內分布直接影響用戶感知，所以室內分布系統特別是網絡的前三級，對改善網絡質量，具有顯著的效果；使用高品質高性能無源器件在為后期室內分布系統網絡改造，為后期引入分布式室內天線改造，話務分流和數據分流提供了堅實的基礎，在前期投資效益上，高性能無源器件的前期投入較常規無源器件高，但其后期的綜合收益更明顯，節省了運維成本和降低故障率和由于故障產生而產生排查人工成本和物業協調、現場進場施工保險費用和現場物業要求裝修修復等的費用，為后期新技術引入夯實了基礎。從建設精品網絡，切實提升用戶感知上講，高性能無源器件更符合未來網絡發展的需求。

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