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室内分布系统中长用的器件分有源器件和无源器件,它们都属于线性互易元件。线性互易元件只对微波信号进行线性变换而不改变频率特性,并满足互易原理。

无源器件指像滤波器、分配器、谐振回路等以实现信号匹配、分配、滤波等; 有源器件指像微波晶体管、微波固态谐振器等以实现信号产生、放大、调制、变频等。

室内分布系统中经常用到的无源器件有功分器、耦合器、基站耦合器、合路器、电桥、干线放大器、负载、射频电缆等。

一、功分器

1. 概念

功分器(全称功率分配器)一种将一路输入信号能量分成两路或多路输出相等能量的器件,也可反过来将多路信号能量合成一路输出,此时也可称为合路器。一个功分器的输出端口之间应保证一定的隔离度。基本分配路数为 2 路、3 路和 4 路,通过它们的级联可以形成多路功率分配。使用功分器时,若某一输出口不接输出信号,必须接匹配负载,不应空载。

?2. 主要指标

功分器的主要技术参数有插入损耗、分配损耗、驻波比,功率分配端口间的隔离度、功率容量和频带宽度等。下表是宽频腔体功分器一些典型指标(参考):

?频带宽度:这是各种射频/微波电路的工作前提,功分器的设计结构与工作频率密切相关。必须首先明确功分器的工作频率,才能进行下面的设计

功率损耗:分为分配损耗和插入损耗。

分配损耗:主路到支路的分配损耗实质上与功分器的功率分配比有关,其计算公式为所有路数的输出功率之和与输入功率的比值,一般理想分配损耗由下式获得:

理想分配损耗(dB)=10log(1/N)

N为功分器路数

插入损耗:输入输出间的插入损耗是由于传输线(如微带线)的介质或导体不理想等因素,考虑输入端的驻波比所带来的损耗。

?驻波比:指沿着信号传输方向的电压最大值和相邻电压最小值之间的比率。每个端口的电压驻波比越小越好。

功率容量:电路元件所能承受的最大功率。

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。功分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。功分器不宜作大功率合成使用,两个大功率的载波信号合成建议采用 3dB 电桥。

隔离度:本振或信号泄漏到其他端口的功率和原功率之比。如果从每个支路端口输入功率只能从主路端口输出,而不应该从其他支路输出,这就要求支路之间有足够的隔离度。一般大于 20dB。

二、耦合器

1. 概念

耦合器常用于对规定流向微波信号进行取样。在无内负载时,定向耦合器往往是一四端口网络。

定向耦合器是一种低损耗的器件,它接受一路输入信号而输出两路在在理论上有下列特性的信号

a) 输出的幅度不相等。

?主线输出端为较大的信号,基本上可以看作直通,耦合线输出端为较小信号。

b) 主线上的理论损耗决定与耦合线的信号电平,即决定于耦合度。

c) 主线和耦合线高隔离度。

直接点说耦合器的作用是将信号不均匀地分成 2 分(称为主干端和耦合端,也有的称为直通端和耦合端)。

2. 主要指标

主要指标:耦合度、功率损耗、隔离度、方向性、输入输出驻波比、功率容限、频段范围、带内平坦度等。下表是宽频腔体耦合器一些典型指标(参考):

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?耦合度:信号功率经过耦合器,从耦合端口输出的功率和输入信号功率直接的差值。(一般都是理论值如:6dB、10dB、30dB 等)

耦合度的计算方法:若输入信号 A 为 30dBm 而耦合端输出信号 C 为 24dBm 则耦合度=C-A=30-24=6dB,所以此耦合器为 6dB 耦合器。实际耦合度可能在 5.5~6.5 之间波动。

功率损耗:分为耦合损耗和插入损耗。

耦合损耗:理想的耦合器输入信号为 A,耦合一部分到 B,则输出端口 C 必定就要有所减少。

计算方法:将所有端口的“dBm”功率转换成“毫瓦”为单位表示,比如 A 输入端的功率原来是 30dBm,转换成“毫瓦”是 1000 毫瓦,而耦合端的输出是 25.5dBm(先假设用的是 6dB 耦合器,并且 6dB 耦合器实际耦合度是 6.5dB),将 25.5dBm 转换成毫瓦是:316.23 毫瓦。再假设此耦合器没有其它损耗,那么剩下的功率应该是 1000-316.23=683.77 毫瓦,全部由输出端输出。将 683.77 毫瓦转换成“dBm”=28.349, 则耦合器的耦合损耗=输入端的功率(dBm)-输出端的功率(dBm)=30dBm-28.349dBm=1.651dB,这个值指的是耦合器没有额外损耗(器件损耗)的情况下的耦合损耗。

插入损耗:指的是信号功率经过耦合器至输出端出来的信号功率减小的值再减去耦合损耗所得的数值。

计算方法:以 6dB 耦合器为例,在实际测试中假设输入 A 是:30dBm,耦合度实测是:6.5dB,输出端的理想值是 28.349dBm,再实测输出端的信号,假设是 27.849dBm,那么插损=理论输出功率-实测输出功率=28.349-27.849=0.5dB;

隔离度:指的是输出端口和耦合端口之间的隔离;一般此指标仅用于衡量微带耦合器,如 5-10dB 为 18~23dB,15dB 为 20~25dB,20dB(含以上)为: 25~30dB;腔体耦合器的隔离度非常好所以没有此指标要求。

计算方法:当输入端接匹配负载时,将信号由输出端输入,测耦合端减小的量即为隔离度。

方向性:指的是输出端口和耦合端口之间的隔离度的值再减去耦合度的值所得的值,由于微带的方向性随着耦合度的增加逐渐减小最后 30dB 以上基本没有方向性,所以微带耦合器没有此指标要求,腔体耦合器的方向性一般为:1700~ 2200MHz 时:17~19dB,824~960MHz 时:18~22dB。

计算方法:方向性=隔离度-耦合度

例如 6dB 的隔离度是 38dB,耦合度实测是 6.5dB,则方向性=隔离度-耦合度=38-6.5=31.5dB。

驻波比:指的是输入/输出端口的匹配情况,各端口要求则一般为:1.2~1.4。

功率容限:指的是可以在此耦合器上长期(不损坏的)通过的最大工作功率容限,一般微带耦合器为:30~70W 平均功率,腔体的则为:100~200W 平均功率。在耦合器上标注的功率同样是指输入端口的最大输入功率,输出口和耦合端口不能用标注的最大功率输入。

频率范围:一般标称都是写 800~2200MHz,实际上要求的频段是:824- 960MHz 加上 1710~2200MHz,中间频段不可用。有些功分器还存在 800~ 2000MHz 和 800~2500MHz 频段

带内平坦度:指的是在整个可用频段耦合度的最大值和最小值之间的差值。

基站耦合器:是耦合器中特殊的一种,主要用在耦合基站信号的时候。它的一些典型参数如下:

?我们可以看出它和一般耦合器的区别在性能上它功率大、插损小,而在接头上它的三个口分别为 L29J、L29K 和 NK,而普通的耦合器三个口均为 NK。

三、腔体和微带的区别

腔体耦合器内部是 2 条金属杆,组成的一级耦合。微带耦合器内部是 2 条微带线,组成的一个类似于多级耦合的网络。

结构上来说微带型利用1/4波长的微带线,腔体型利用谐振腔。相对而言, 微带型器件便宜但插入损耗达 0.5dB,而腔体型贵一些但插入损耗只有 0.1dB。

?四、电桥

电桥是是定向耦合器的一种,是个四端口网络,它的特性是两口输入两口输出,两输入口相互隔离,两输出端口各输出输入端口输入功率的 50%。在同频段内不同载波间将两个无线载频合路后馈入天线或分布系统(通常为 Rx 和 Tx)。当作为单端口输出使用时,另一输出端必须连接匹配功率负载以吸收该端口的输出功率,否则将严重影响到系统传输特性,负载功率根据输入信号的功率来定, 不能小于两个信号功率电平和的 1/2。负载会带来一定的损耗(3dB)。有时两个输出端口都要用到,这时就不需要负载,也无损耗。

??由于电路和加工装配上的离散性,电桥耦合器输入端口的隔离度比较低,不建议应用在不同频段间的合路。异频合路时建议选用双工/多工合路器以改善系统的性能指标,增加可靠性。

五、合路器

在介绍合路器前,先介绍下滤波器的概念。滤波器是一种双端口网络,它最基本的应用就是抑制不需要的频率信号,让需要的频率信号通过,起频率选择的作用。在实际应用中,把两个或两个以上的滤波器组合到一起,就成了双工器或合路器。

合路器是多个滤波器组成的单元,是多端口网络,所有端口均为输入/输出双功能端口。合路器的电性能指标和滤波器指标基本相同。

???合路器将来自收发系统的多个信号源如 GSM、CDMA、DCS 等经过合路器合路输出。合路器至少有两个输入口和一个输出口,输入口分别用于不同频段信号的输入,可将多路输入信号合成后由输出口输出。它还具有相反工作模式。它的特点是合分路损耗小、频段间抑制度高、功率容量大、温度稳定性好等特点。合路器分为同频合路器和异频段合路器两种。

下表是一些典型的参数:

在信号的合路上,不难发现功分器、电桥、合路器都有这样的功能,下表是它们之间的一个比较:

六、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与频率无关的常数,由电阻元件组成的二端网络。用于直放站输入端,控制直放站输入信号强度在正常范围内,以免输入过大,造成直放站前级拥塞。同时可以让直放站工作在高增益状态下,获得更好的噪声系数表现。还可以用于干线放大器输入前端。

衰减器可以分为两种类型:固定的和可变的。通常工程上我们多采用固定衰减器。目前我们多采用的有 5dB、10dB、15dB、20dB、30dB、40dB 等。衰减器我们最关注的指标是衰减大小、功率容量大小等。需要注意的是,输入信号功率小于衰减器的功率容量。

负载是一种特殊的衰减器,衰减度为无限大。终端在某一电路或电器输出端口,接收电功率的元器件、部件或装置统称为负载。

?七、干线放大器

干放就是在功率变低而不能满足覆盖要求时加的信号放大设备。就是当信号源设备功率难以达到覆盖要求时发大信号源的功率,以覆盖更多的区域。

下行链路

从主干电缆来的下行链路信号经输入端口(DLin)进入主机,经下行放大器 PA 放大后,再由输出端口(DLout)输出,送往主干电缆。下行链路放大器(PA) 增益可调范围≥20dB,配合系统设计,下行增益可微调。下行功放带有自动电平控制电路(ALC),当输入信号电平在-10dBm~+5dBm 范围内变化时,均能保证输出端的电平恒定不变。

上行链路

从主干电缆来的上行链路信号,由输出端口(DLout)进入主机,经上行低噪声放大器放大后,再由输入端口(DLin)输出,送往主干线。上行链路放大器 (LNA)增益可调范围大于 20dB,配合系统设计,上行增益可在较大范围内变化。本机上、下行链路两侧的双工器具有插损小、频段隔离度高等特点,能有效地把上下行信号分开,以便在各自的传输链路中设置放大器。

?在室内分布系统中,干线放大器属于二级放大器件,在同等输出功率下,多级放大会抬高基站的低噪。因此,原则上不采用直放站+干放的多级覆盖方式。

八、接头

1.馈线接头

馈线与器件、设备以及不同类型线缆之间一般采用可拆卸的射频连接器进行连接。连接器俗称接头。

常见的射频连接器有 DIN 型连接器、N 型连接器、BNC/TNC 连接器、SMA 连接器、反型连接器等。连接器都是 J 头。

DIN 型连接器一般用于宏基站射频输出口。

N 型连接器是室内分布中应用最为广泛的一种连接器,具备良好的力学性能,可以配合大部分的馈线使用。馈线和器件相连,接头按馈线的线径分为 7/8接头和 1/2 接头(常用),7/8 接头一端比另一端明显大,大的那一端是接 7/8 馈线, 而小的一端接各种器件(比如功分器)。1/2 接头两段一样大,那端接 1/2 馈线或各种器件则要看接头内部的形状,如图 12 所示的一端为接 1/2 馈线。

2. 转换头

连接器与连接器之间的连接,对连接器起转接作用。常见的有双阳头、双阴头、直角转接头等。

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L 型直角弯头使用是代替不足 1 米长的跳线,以避免馈线弯曲半径不够的问题。N-JJ(双阳)代替不足 0.5 米长的跳线,作为连接器使用。N-KK(双阴)的使用比较特殊,当工程施工过程中一根长馈线预留长度不够,需要接续时,可以采用双阴头接续两根馈线。