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直放站基站无源器件

第1章无源器件原理与测试1

1.1工程常用无源器件1

1.1.1功分器1

1.1.2合路器5

1.1.3定向耦合器与电桥6

1.1.4负载9

1.1.5衰减器9

1.2设备内部无源器件10

1.2.1滤波器10

1.2.2双工器11

1.3射频电缆12

1.3.1射频同轴电缆12

1.3.2泄漏电缆18

1.4无源器件指标及测试方法23

1.4.1功分器指标及测试方法23

1.4.2耦合器指标及测试方法27

1.5接头制作31

1.5.11/2”普通电缆接头制作31

第1章无源器件原理与测试

在移动通信系统中，常用的无源器件有功分器、电桥与耦合器、滤波器、合路器与双工器、环形器与隔离器、衰减器、移相器等等，本节对它们进行简单介绍。

1.1工程常用无源器件

1.1.1功分器

功分器是一种将一路输入信号能量分成两路和多路输出的器件，也可反过来将多路信号能量合成一路输出，此时也可称为合成器。

常见的功分器有一分二、一分三和一分四功分器。

功分器可以分为能量等分与不等分两种，通常为能量的等值分配。

在工程中，当工程师想把相同的信号发往不同的地方时，就使用功分器。

功分器的分类：

1）、按照结构分类：

微带/腔体功分器

2）、按照输出端口分类：

二、三、四路功率分配器，通过它们的级联可以形成多路功率分配。

3）、按照器件使用频段分类：

（1）806～960MHz频段

（2）806～2200MHz频段

（3）806～2500MHz频段

（4）1710～2500MHz频段

图7-1是典型的微带三端口二功率分配器：

图71三端口二功率分配器

当信号从端口1输入时，功率从端口2和端口3输出，只要设计恰当，两输出可按一定比例分配，并保持同相，隔离电阻R中没有电流，不吸收功率。

若端口2或端口3稍有失配，则有功率反射回来，被电阻R吸收，从而保证两输出端有良好的隔离，并改善输出的匹配。

功率分配器的主要技术指标要求是：

功率分配比、工作频带、两输出端的隔离度，输入电压驻波比，功率容量等。

在分布系统中，功分器作为下行信号来说是个功率分配器，对上行信号来讲又是个（小信号）合路器。

功率分配器上标注的功率是指输入端口的最大输入功率，而作为（小信号）合路器来讲，不能在输出端口按标注的功率输入信号，即不能作大功率合路器使用。

区别在于承受的功率不同。

以微带二功分器为例说明。

如图7-2：

作为功分器来讲，信号从IN输入，当信号到达A、B二点时为同频同相信号。

图72功率分配器原理

所以R上无电流流过即无功率损耗。

信号被平均分配到out1和out2上。

而此时的功率容量主要取决于微带线承载的功率。

当然R值的选取还应考虑out端开路、短路情况。

而上图作为合路器来讲，信号分别从out1和out2输入。

由于out1和out2是两个不同的信号源，它们在A、B两点的频率和相位均不相同。

此时R上就有电流流过。

经理论计算（可参考：

微带电路设计原理）R上承载的功率是1/2out1＋1/2out2。

如果out1和out2分别输入10W功率，那么R至少要选10W以上的功率电阻。

同理说明out1和out2到达“IN”的功率只能是1/2out1＋1/2out2。

有一种情况IN＝out1＋out2是可以成立的。

图7-3是一个100W功率放大器的原理图。

图73100W功率放大器图

假如放大器1和放大器2管子配对无相位差，由于放大的是同一个激励信号。

在A、B两点是一个同频同相的50W信号。

R上无功率损耗。

因此能量被全部合成到C端口。

由于功分器通常采用微带结构，平衡电阻R一般取值不大。

且散热面也不够大,所以功分器不宜作大功率合成使用。

而两个大功率的载波信号合成建议采用3dB电桥。

由于3dB电桥可采用腔体结构，且可采用大功率外接负载适合大功率信号合成使用。

常用微带功分器型号及指标：

其主要特点为插入损耗小（大部分无源器件的关键性能参数是插入损耗，插入损耗越低，信号通过器件的能量就越多），隔离度高，波动范围小，可靠性高，接头灵活，适用于多种频段。

下面列出部分器件的参数。

型号

HXPD2-0800-2500-

2-050N

HXPD2-0800-2500-

3-050N

HXPD2-0800-2500-

4-050N

名称描述

50W微带二路功率分配器

50W微带三路功率分配器

50W微带四路功率分配器

频率范围

806MHz～960MHz

1710MHz～2500MHz

端口驻波

≤1.20

分配比

3.00dB

4.77dB

6.02dB

输出隔离

≥20dB

插入损耗

≤0.4dB

≤0.5dB

功率容量

50W

幅度平衡度

≤±0.3dB

≤±0.2dB

带内波动

≤0.2dB

≤0.3dB

阻抗

50Ω

相位平衡度

≤±5°

互调

≤－140dBc（＋43dBm×2）

工作温度

－40C°～70C°

端口类型

N型阴头（NFemale）

工作湿度

≤95％（非冷凝）

常用腔体功率分配器型号及指标：

可平均地分配蜂窝网的大功率信号，具有反射和损耗小的特点。

因其内部无电压平衡电阻，故可消除由电阻的三阶互调，同时不易损坏。

安装时可用固定夹方便地固定到柱子或墙上，具有防水性能。

宽频设计，可广泛应用于单频段、多频段天线或泄漏电缆系统，因采用焊接点的同轴腔系统，使插损最小，可靠性增强。

下面列出部分器件的参数。

型号

HXPD2-0800-2500-

2-200N

HXPD2-0800-2500-

3-200N

HXPD2-0800-2500-

4-200N

名称描述

200W腔体二路功率分配器

200W腔体三路功率分配器

200W腔体四路功率分配器

频率范围

806MHz～2500MHz

端口驻波

≤1.22

分配比

3.00dB

4.77dB

6.02dB

输出隔离

≥20dB

插入损耗

≤0.2dB

≤0.25dB

功率容量

200W（峰值3000W）

幅度平衡度

≤±0.3dB

带内波动

≤0.5dB

阻抗

50Ω

相位平衡度

≤±5°

互调

≤－140dBc（+43dBm×2）

工作温度

－40C°～70C°

端口类型

N型阴头（NFemale）

工作湿度

≤95%（非冷凝）

1.1.2合路器

合路器可以将同一频段或者不同频段上的多个发射信号合成并输出至天线，如此，可以共用馈电电缆和天线，节省开支。

为此，每条支路信号都具有选频功能，即在自己的通带上具有小的插损，同时在其余的支路上具有高的阻带衰减特性。

从原理上看，它是多个高性能滤波器的组合。

合路器的选频功能也抑制了各个收发信机之间有可能产生的互调干扰。

常用双频合路器型号及指标：

带外抑制大，适用于CDMA/GSM或CDMA/GSM/DCS以及GSM/WCDMA、CDMA/WCDMA、DCS/WCDMA、PHS/WCDMA、PHS/W-LAN、W-LAN/WCDMA、PHS/WCDMA/W-LAN、GSM/CDMA/W-LAN等网络合路。

插入损耗小，可靠性高，波动范围小，功率容量大，使用N型—K接头。

下面列出部分器件的参数。

型号

HXPC1-0825-0960-2-300N

名称描述：

CDMA，GSM双频合路器

频率

824MHz～880MHz

909MHz～960MHz

带宽

55MHz

51MHz

插入损耗

≤0.6dB

回波损耗

22dBmin

通带波动

0.4dBmax

带外抑制

80dBmin（909MHz～960MHz）

80dBmin（824MHz～880MHz）

功率容量

300W

互调

≤－140dBc（+43dBm×2）

工作温度

－25C°～65C°

端口类型

NFemale

工作湿度

≤95%（非冷凝）

1.1.3定向耦合器与电桥

定向耦合器是从主干通道中提取出部分信号的器件。

常用于对规定流向微波信号进行取样。

在无内置负载时，定向耦合器往往是一四端口网络，它有输入端、直通端、耦合端和隔离端，分别对应图8-4所示的1、2、3和4端口。

图74定向耦合器

定向耦合器按耦合度大小分为5、6、7、10、15、20….dB不同规格；从基站提取信号可用大功率耦合器（300W），其耦合度可从30～65dB中选用；耦合器的接头多采用N头。

定向耦合器常有两种方法实现，一为耦合定向耦合器，其直接输出和耦合输出端口在结构上不相邻，输出相位差往往是90度或180度，剩余的一个端口称为隔离端，理论上隔离端不输出任何能量。

另一种为分支线定向耦合器，两输出端口结构上相邻，输出相位差也可以实现90度或180度，常用于强耦合场合。

定向耦合器的主要技术指标有耦合度、隔离度（或方向性）、输入驻波比和工作带宽等。

电桥是一个具有3dB定向耦合器电气特性的四端口网络，它的特性是其中两端口相互隔离，另两个端口等功率输出，并且两个输出信号有90度相位差。

3dB电桥在移动通信系统中的作用有：

（1）作为端口间相互去耦的1：

1功分器；

（2）将两个频率间隔极小的发射和接收信号相互去耦且合路输出；（3）2组分别经过双工器隔离的联合收/发信号可通过3dB电桥去耦并合路；（4）实现与频率无关的90度移相器功能；（5）多数场合在频带内实现合路器功能。

常用微带耦合器器型号及指标：

用于分配较小功率的RF信号（一般低于100W），适用于CDMA、GSM、DSC、PHS、3G和W-LAN无线接入的室内分布系统。

它能满足各种频段的技术要求，具有可靠性高、频带宽、易于安装等特点，在室内分布系统工程中得到了广泛的应用。

下面列出部分器件的参数。

型号

HXPD1-0800-2500-05-100N

HXPD1-0800-2500-06-100N

HXPD1-0800-2500-

07-100N

HXPD1-0800-2500-

10-100N

名称描述：

微带耦合器

频率范围

800MHz～960MHz，1710MHz-2500MHz

各端口驻波

≤1.20

耦合度

5±0.5dB

6±0.5dB

7±0.5dB

10±0.6dB

方向性

≥20dB

插损（包括耦合损耗）

≤2.0dB

≤1.55dB

≤1.35dB

≤0.8dB

最大输入功率

≥100W

互调

≤－140dBc（+43dBm×2）

工作温度

－40C°～70C°

端口类型

N型阴头（NFemale）

工作湿度

≤95%（非冷凝）

此外，还有耦合度为15dB、20dB、25dB、30dB、35dB、40dB、50dB的微带偶合器。

常用腔体耦合器器型号及指标：

适用于CDMA、GSM、DSC、PHS、3G和W-LAN的室内分布系统。

器件均采用螺纹连接，无焊接缺陷，其谐振腔的设计方式使信号的反射及损耗都达到最小程度，插损指标远优于微带设计，具有可靠性高、功率容量大及频带宽等特点，可广泛用于各种天线、泄露电缆及无线基站系统。

下面列出部分器件的参数。

型号

HXPD1-0800-2500-05-200N

HXPD1-0800-2500-06-200N

HXPD1-0800-2500-

07-200N

HXPD1-0800-2500-

10-200N

名称描述：

腔体耦合器

频率范围

800MHz～960MHz，1710MHz-2500MHz

各端口驻波

≤1.20

耦合度

5±0.6dB

6±0.5dB

7±0.5dB

10±0.6dB

方向性

≥20dB

插损（包括耦合损耗）

≤1.95dB

≤1.5dB

≤1.3dB

≤0.75dB

最大输入功率

≥100W

互调

≤－140dBc（+43dBm×2）

工作温度

－40C°～70C°

端口类型

N型阴头（NFemale）

工作湿度

≤95%（非冷凝）

此外，还有耦合度为8dB、12dB、15dB、20dB、25dB、30dB、35dB、40dB、50dB的腔体偶合器。

常用3dB电桥型号及指标：

用来将两个无线载频合成后馈入天线或分布系统，其中一个输出口接50Ω负载，信号合路后有3dB损耗。

在室内分布应用中，有时两个输出端口都要用到，这时就不需要负载。

下面列出部分器件的参数。

型号

HXHYB2-1710-1920-2-300N

HXHYB2-1710-2500-2-300N

HXHYB2-0806-2000-2-300N

名称描述：

3dB电桥

频段

1710MHz～1920MHz

1710MHz～2500MHz

806MHz～960MHz

1710MHz～2000MHz

插损

≤0.3dB

≤3.5dB

隔离度

≥25dB

≥28dB

≥25dB

功率容量

300W

带内波动

≤0.3dB

≤0.25dB

≤0.5dB

互调

≤－140dBc（+43dBm×2）

驻波比

≤1.2

工作温度

－40C°～70C°

端口类型

N型阴头（NFemale）

幅度平衡度

≤±0.3dB

相位平衡度

≤±5°

工作湿度

≤95%（非冷凝）

1.1.4负载

传输线终端所接元件称为终端负载，常用的终端负载有匹配负载和短路负载两种。

匹配负载是将所有的电磁能量全部吸收而无反射；而短路负载是将所有的电磁能量全部反射回去，一点能量也不吸收。

对匹配负载的基本要求是：

（1）有较宽的工作频带，

（2）输入驻波比小

（3）一定的功率容量。

1.1.5衰减器

在相当宽的频段范围内一种相移为零、其衰减和特性阻抗均为与频率无关的常数的、由电阻元件组成的二端口网络，其主要用途是调整电路中信号大小、改善阻抗匹配。

1.2设备内部无源器件

1.2.1滤波器

通过有用频率信号抑制无用频率信号的部件或设备。

滤波器之所以得到广泛使用，是由于它具有选频功能，可以分割频率，使需要的频率信号通过，而抑制不需要或有害的频率信号。

在移动通信系统中。

多频工作的情况十分普遍，对分割频率的要求也相应提高。

微波滤波器按作用分类，可划分为低通、高通、带通和带阻等四种类型的滤波器，如图7-7所示：

图75

对于用于移动通信的微波滤波器，通常应考虑以下指标：

（1）频率范围：

即滤波器通过或截止信号的频率界限。

按照理想情况，应使滤波器的频率相应特性在边界频率处产生跳变，也即使其通带衰减为零，阻带衰减为无穷大。

但实践能做到的频率响应特性是连续变化的。

通常对截止频率点规定一特定的衰减值。

（2）通带衰减：

由滤波器残存反射以及滤波器材料损耗所引起，一般希望尽可能小。

（3）阻带衰减：

一般希望尽可能大，并希望在通带范围外，衰减值能陡峭地上升，一般取通带外与截止频率为一定比值的某频率的衰减值作为此项指标。

（4）寄生通带：

为微波滤波器特有指标，由分布参数的传输线段频率响应的周期性所引起，它导致在离开通带一定频率间隔处重复出现通带，即寄生的通带。

实际需求中，不但希望通带衰减小，阻带衰减大，还希望通带至阻带的衰减斜率大，解决这一矛盾的办法通常是采用低损耗、高Q值的谐振腔体结构，并适当增加腔体的节数。

常用腔体滤波器型号及指标：

带外抑制好，结构紧凑便于安装，密封性能好，插入损耗小，保证有效发射功率。

安装在基站、直放站设备内部，可以有效抑制设备接收频段以外的所有干扰信号。

型号

HXFLT900-25U1

名称描述：

腔体滤波器

频率

890MHz～915MHz

插入插损

<1.2

带内波动

<0.4dB

驻波比

≤1.2

功率容量

≥100W

三阶互调

≤－140dBc（此时承受功率+43dBm/ch/2ch）

带外抑制

@935MHz>70dB；@870MHz>30dB；@925MHz>30dB；

群时延

150ns（带内最大）；20ns（任何200KHz最大）

工作温度

－40C°～85C°

端口类型

SMAFemale

工作湿度

5%～95%

1.2.2双工器

双工器与合路器的原理和设计方法是一致的，它们都是不同频带滤波器的组合。

双工器工作在通信系统的同一个频段上，两个滤波器的公共端口连接至天线，其中一个滤波器选频工作在上行频段，将来至天线的信号选择进入接收机；另一个滤波器选频工作在下行频段，将来至发射机的信号选择送至天线发射出去。

双工器的选频功能也抑制了各个收发信机之间有可能产生的互调干扰。

常用双工器器型号及指标：

隔离度高，插损小，带内波动小，功率容量大，采用SMAFemale，接头安装方便。

一般用于基站、直放站等设备内部，它起着对接收机和发信机在同时工作时收信频率和发信频率的隔离作用。

型号

HXDLX900-25-1

名称描述：

腔体双工器

频率

890MHz～915MHz&935MHz～960MHz；

插入插损

<1.4

带内波动

<0.4dB

驻波比

≤1.2

功率容量

≥300W

三阶互调

≤－140dBc（此时承受功率+43dBm/ch/2ch）

带外抑制

@935MHz>70dB；

@925MHz>30dB；

@870MHz>30dB；

@915MHz>70dB；

@980MHz>30dB；

群时延

150ns（带内最大）；20ns（任何200KHz最大）

工作温度

－40C°～85C°

端口类型

SMAFemale

工作湿度

5%～95%

1.3射频电缆

1.3.1射频同轴电缆

1.同轴电缆传输理论

在同轴电缆中，传输回路由内导体，绝缘介质和外导体三部分组成，它们的材料和尺寸决定了电缆的传输性能和其它电气性能，这三部分是同心的、即有共同的中心轴，如下图所示

所有电缆外导体上均有一层护套，具体结构在后面的章节中详细讨论。

2.传输特性

1）集肤效应

在直流作用下，电流能均匀流过导体的横截面，在高频下，电流只流过导体表面。

此时，导体有效横截面积减小，阻抗增加。

在射频频率下，电流仅流过表面薄层，导体以外的其它任何地方都不存在电磁场。

因此，在射频下，即使非常薄的金属外导体也能将电磁场完全屏蔽在射频同轴电缆内部。

非磁性材料的导电层，除了电阻，集肤效应还影响电感、特性阻抗和传输速率等。

2）特征阻抗

特征阻抗是同轴电缆的一个很重要的性能，从电气意义上说，它表示导体之间的电势差与流过该导体的电流比值，在均匀同轴电缆中，特征阻抗在电缆整个长度方向上是一常数，电缆终端负载应与其特征阻抗匹配，因此有必要对电缆的特征阻抗进行重点阐述。

在无线通信中，常用的特征阻抗是50Ω，像75Ω等其它值也在其它领域用到，如有线电视系统等。

与电缆相连的所有设备或无源元件都应有与电缆具有相同的特征阻抗。

特征阻抗不同，会出现不匹配的反射，从而导致传输失真，同轴电缆的特征阻抗由导体的尺寸及绝缘的相对介电常数决定。

3）衰减

电缆两点处能量的减少就是衰减（有时也称为纵向损耗），电缆的衰减用分贝/单位长度表示，如：

dB／100m。

衰减随频率的升高而增加，这是由于导体的集肤效应和介质的损耗引起的。

导体损耗系数与导体电阻率和尺寸有关，内外导体的表面电导率应尽可能高，应用趋肤效应，做大电缆时可选铜管为内导体。

4）回波损耗和结构回波损耗

在理想同轴电缆中，特征阻抗沿整个电缆长度方向是均匀的、恒定的，而实际中特征阻抗会有微小的波动。

这是由于制造过程中导体尺寸和介质材料的微小波动引起的，电缆接头和连接处也会引起同轴电缆特征阻抗微小的局部波动。

5）周期性不均匀性和SRL

在每一同轴电缆中，制造过程中导体尺寸和介质材料的微小变化会引起电缆长度方向上结构的微小变化，在电气性能上会表现为特征阻抗的微小变化，每一变化都会使一小部分信号电平反射回去。

这些电平叠加在一起，可在电缆输入端测到一个总的反射信号，尽管电缆各处特征阻抗变化很小，但如果测量不同频率下的RL（回输损耗）时，会发现这些周期不均匀性引起的反射在某一频段内按相位叠加起来而产生峰值，这种反射叠加产生的SRL（固定回损）与电缆长度有关，电缆越长，包含的周期性不均匀性越多，总的反射信号越大，SRL越小。

然而，当电缆长到一定长度时，远端产生的反射信号衰减比近端大，这样，这种长电缆的SRL与长度关系不大。

但是在移动通信领域中，电缆长度对SRL值的影响却很大。

结论：

馈线电缆安装后的回波损耗性能与许多因素有关，电缆制造商应保证电缆的结构回波损耗大于某一最小值，这些值只与电缆本身有关，是电缆在包装木盘上的厂家测试结果。

而SRL与长度有关，其具体数值必须根据长度确定。

表1950MHzSRL值（dB）当与无限长电缆比较时随长度的增加关系

电缆规格

ΔSRL,dB

50米

100米

200米

500米

RF501/2″

5.0

1.8

0.3

0.0

RF505/8″

7.1

3.3

0.9

0.0

RF507/8″

8.7

4.5

1.5

0.1

RF501-1/4″

10.9

6.2

2.6

0.3

RF501-5/8″

12.6

7.6

3.6

0.6

表21800MHzSRL值（dB）当与无限长电缆比较时随长度的增加关系

电缆规格

ΔSRL,dB

50米

100米

200米

500米

RF501/2″

3.2

0.9

0.1

0.0

RF505/8″

5.0

1.8

0.3

0.0

RF507/8″

6.3

2.7

0.6

0.0

RF501-1/4″

8.2

4.1

1.3

0.1

RF501-5/8″

9.7

5.2

2.0

0.2

馈线系统总的RL值与连接情况和安装质量有关，生产方应保证电缆本身的质量，而安装方应保证电缆的安装质量，这样以确保整个传输线具有足够高的RL值。

6）传输速率和延时

在自由空间和空气中，电磁波以光速传播。

在同轴电缆中，信号传输速率小于光速，与介质材料有关。

两者的比值称为传输速率。

传输速率是在频率为200MHz附近测得的并把它作为标准值。

7）电长度和长度调整

在很多情况下，电缆既要有相同电长度的，又要有不同电长度的，电波发射馈线和天线组或天线陈列之间的连接线就是典型的例子，必须精确调整这些电缆和长度，在频率范围里，能实现相位角精度是±5ْ，为了减少长度调整后操作过程引起的长度变化，我们建议只对较长的电缆在安装后调整，而较短的，宜在厂家供货时进行调整。

射频电缆的电长度与温度有关，如果是空气绝缘电缆，还受其中的空气压力和湿度影响。

这些影响很小，但如果电缆长度比工作波长长很多时，应当考虑这些微小影响。

建议将调整过长度的电缆安装在相同的环境条件下，如相同的温度、阳光辐射等

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