降低四网共建室内覆盖系统无源器件三阶互调干扰的措施

降低四网共建室内覆盖系统无源器件三阶互调干扰的措施
作者：陈威一
来源：《移动通信》2012年第16期
【摘要】移动通信四网共建室内覆盖系统对三阶互调指标的要求越来越高。

文章从无源器件三阶互调干扰产生的原理、四网共建室内覆盖系统对三阶互调指标的要求、如何降低无源器件三阶互调干扰的影响等方面入手，对降低多通道移动通信室内覆盖系统中无源器件三阶互调干扰的方法进行了探讨。

【关键词】四网共建互调干扰无源器件室内覆盖三阶互调
1 引言
移动通信室内覆盖系统中，多个频率载波同时在天线和设备间传播，因系统存在非线性因素，将会产生互调干扰。

传统上我们将天线、射频同轴连接器、无源器件和主设备考虑成非线性系统。

由于具有良好的特性和简单的电路模型，射频同轴电缆的互调干扰应重点考虑。

另外，作为衡量系统非线性效应的重要指标，三阶互调干扰指标是系统重点考虑的对象。

在室内覆盖系统中，吸顶天线、连接器、功分路、耦合器、合路器和电桥大量应用，它们的三阶互调指标的优劣对整个系统的影响非常重要。

2 互调干扰
2.1 室内覆盖系统干扰因素
四网共建室内覆盖系统中，干扰主要来自三个方面：一是杂散波干扰；二是阻塞干扰；三是互调干扰。

前二种干扰根据3GPP协议均有明确的要求，主要解决方案是提高多通道合路器的隔离度，调整室内天线分布距离，合理分配信源功率等。

对WLAN和TD—LTE的泄漏干扰，可在覆盖系统合路器前增加滤波器等进行解决。

而对于互调干扰来说，影响因素较多，除有源设备和无源设备需有明确的三阶互调指标要求外，还需根据不同的场合进行合理的频率规划，并配以规范的网络覆盖施工流程。

图1为四网共建室内覆盖系统图，图中M﹥N，而LTE 采用二路布网结构，构成2*2MIMO系统，充分体现MIMO上下行容量增益，这也是LTE室内覆盖系统的主流模式。

2.2 互调干扰的产生
在自然界中，当两个射频信号输入到同一个非线性元件中时，或通过一个存在不连续性的传输介质时，会因为这些非线性因素产生一系列新的频率分量。

新的频率分量满足如下频率计
算关系：设输入的两个信号的频率为f1、f2（绝对频率），则新频率分量的频率为
Fn=mf1+nf2和Fn=mf1—nf2，（m、n为整数不同时为0），当m±n为奇数且m—n=1（或n—m=1）的情况下，新产生的频率分量会落到或接近接收频带内，可能就会影响系统的灵敏度。

新增频率分量中，最需关注的是三阶、五阶互调分量，三阶互调为：2F1—F2和2F2—
F1，五阶互调为：3F2—2F1和3F1—2F2。

这两种频谱分量距离本身信号最近，最有可能对系统产生干扰，其频谱分布如图2所示：
新增互调干扰信号的幅度取决于器件的非线性程度和信号功率大小，衡量的指标为三阶互调指标PIM3。

早期的室内覆盖系统由于制式较少，在频率规划和布网中不需要重点考虑三阶互调对系统的干扰，而对于目前四网共建室内覆盖网络系统，网络是多频带而且频带较宽，下行信号产生的三阶、五阶互调干扰会影响上行的接收，因此在排查干扰问题时应重点考虑互调干扰。

表1为室内覆盖系统各制式频率之间可能存在的三阶、五阶互调干扰。

2.3 系统对互调干扰的要求
室内覆盖网络对系统的三阶互调没有明确的量化指标，但在四网共建室内覆盖系统网络中，此类干扰已严重影响到系统的正常运行，特别是LTE和WLAN的信号加入网络，对系统的抗互调干扰能力提出了更高的要求。

近年来运营商对无源器件集采招标中对器件的三阶互调指标有明确的规定并作为重要的考核指标。

室内覆盖系统的互调干扰主要考虑三阶、五阶，其它高阶次的互调因幅度很小可忽略不计。

其中MCL3为系统间的互调干扰隔离度，Pt’为干扰系统发射天线连接外的最大载波发射功率，Lrx_filter为被干扰系统的接收滤波器在干扰系统发射带宽内的衰减。

在网络系统中要求干扰值小于或等于被干扰系统的容限，对于三阶互调干扰来说，系统的干扰容限值一般要小于或等于杂散波干扰的容限值。

四网共建系统中所形成的互调信号是由不同功率的信号引起的，若对其进行等效功率的换算将非常复杂，在实际应用中，需根据具体参数情况进行分析，一般来说，互调信号的电平应当不超过杂散干扰的电平，为防止互调产物造成干扰，天线间的隔离必须满足杂散波干扰的要求。

3 无源器件出现三阶互调的原因分析
3.1 吸顶天线
天线作为无源器件和微波信号传输器件，可能导致产生互调的原因如下：
（1）由于天线输入接头的清洁程度差，机械性损伤，或多次拆装造成内部的镀层损坏和接头内遗留有金属屑；
（2）天线接头安装不紧密或密封不良；
（3）密封在保护罩内部的天线阵子被腐蚀；
（4）天线制作材料不合格或焊接工艺不合格。

3.2 功分器
功分器作为室内覆盖中信号功率分配的器件，可能导致产生互调的原因如下：
（1）由于输入输出接头的清洁程度差，机械性损伤，或者多次拆装造成内部的镀银层损坏和接头内遗留有金属屑；
（2）接头安装不紧密或密封不良；
（3）接头输入输出端和内部功分棒焊接或螺丝连接点接触不良；
（4）内部功分棒镀银厚度不合格，外导体铝合金材料杂质多。

3.3 耦合器
耦合器作为覆盖信号分层的器件，因安装地点复杂，可能产生三阶互调的原因如下：
（1）由于输入输出接头的清洁程度差，机械性损伤，或者多次拆装造成内部的镀银层损坏和接头内遗留有金属屑；
（2）接头安装不紧密或密封不良；
（3）接头输入输出端和内部耦合线焊接接点接触不良；
（4）输出端内部副耦合线负载电阻焊接不良或负载电阻品质差；
（5）内部主副耦合线镀银厚度达不到要求；
（6）外壳铝合金压铸件内部光洁度差，未进行机加工处理。

3.4 同轴连接器
同轴连接器是连接电缆和设备的重要器件，在室内覆盖系统中用量大，若安装方法不规范则产生三阶互调干扰的概率最大，其可能产生三阶互调的因素如下：
（1）由于接头端口的清洁程度差，机械性损伤，或多次拆装造成内部的镀层损坏和接头内遗留有金属屑；
（2）电缆和连接器装配时电缆内导体尺寸和接头内孔尺寸不匹配，电缆套入导线套后切割面不整齐并且电缆未进行扩口处理；
（3）连接器生产过程中用材质量差，含铁量高；
（4）内导体插孔、插针镀银厚度达不到要求；
（5）外导体采用普通电镀镍工艺，含有磁性；
（6）内导体插拔力不合格。

3.5 合路器
多端口合路器及合路电桥在多通道室内覆盖系统中有很重要的作用，因距信号源近，其互调指标的好坏对整个系统的影响很大，该类器件可能产生三阶互调的因素如下：
（1）由于输入输出接头的清洁程度差，机械性损伤，或者多次拆装造成内部的镀层损坏和接头内遗留有金属屑；
（2）接头安装不紧密或密封不良；
（3）接头输入输出端和内部耦合线焊接接点接触不良；
（4）内部谐振杆光洁度差，镀银厚度达不到要求；
（5）外壳铝合金压铸件内部光洁度差，未经机加工处理和电镀银处理。

3.6 无源器件三阶互调一般要求
四网共建多通道室内覆盖系统中，无源器件的三阶互调指标一般要求如表2所示：
4 降低无源器件三阶互调的措施
4.1 选择原材料
室内覆盖系统射频无源器件的主要材料为黄铜、锡磷青铜、铍铜、铝合金，其材料质量的优劣对无源互调指标有直接的影响。

下面对这几种原材料的选择作简单介绍。

射频同轴连接器及其它无源器件的接头外导体主要使用易切削黄铜，此类材料有极好的切削性能，适用于自动车床及数控机床加工，目前大量使用牌号为C3064和HPb59—1的产品，如表3所示，这类牌号产品中铁含量较小，因为含铁量超标将会直接影响到产品的三阶互调指标。

内导体材料一般采用锡磷青铜，如表4所示。

此类材料含铁量低，对三阶互调指标的影响很小。

3dB电桥、多通道合路器、滤波器、功分器、耠合器等无源器件外壳一般采用铝合金压铸成型工艺，目前广泛采用的是12#铝合金，日本牌号ADC12，中国对应牌号YZALSi11Cu3，此牌号铝合金压铸性能、机加性能和强度均能满足要求，因含铁量较低，对产品三阶互调影响较小，若采用其它含铁量高的牌号，将对互调指标控制带来影响。

表5显示了压铸铝合金的化学成分。

4.2 确定电镀层厚度
电镀层的种类和镀层的厚度对无源器件三阶互调的影响较大，是整个产品三阶互调能否达到标准的重要因素之一。

目前室内覆盖系统用的连接器和无源器件接头外导体要求镀三元合金，内导体镀银或镀金，固定件镀镍。

功分器、耦合器芯棒和耦合条镀银，合路器滤波器谐振棒镀银，低互调要求的3dB电桥、合路器、滤波器内腔体也需镀银处理。

根据实际工程经验，若电镀层种类选择不正确或镀层厚度达不到要求，三阶互调指标将无法满足要求。

四网共建室内覆盖系统目前的工作频率是0.7GHz—2.7GHz范围内，随着频段使用的日益紧张，3GHz以上频段将很快被开发应用，而镀层的厚度和频率有对应的密切关系。

根据电接触理论，直流和高频交流电流在通过导体时，其电阻值的变化主要区别于高频条件下产生的集肤效应，而集肤效应会限制电磁场穿透的深度。

式中，f是交流激励频率，μo是真空磁导率（μo=4π*10—7H/m），ρ是导体材料电阻率。

当导体通过高频信号时，电流均集中在导体的表面，集肤效应导致高频电流集中靠近导体的表面并形成一个绝缘分界。

表6为银导体在不同的频率下集肤层深度随频率的变化值：
在高频信号下，若导体的穿透深度小于其本身的特性尺寸，那么该导体在高频电流下的电阻值就会偏离它在直流情况下的电阻值，集肤效应占优，那么，导体中的电流将被限制在最多不超过五个穿透层的深度内。

因为无源器件均工作在高频率段，所以其电镀层的厚度将直接影响到导电性能，导致非线性失真，进而三阶互调指标将达不到要求。

基于此，室内覆盖无源器件的电镀层要求如表7所示：
4.3 改善生产工艺
生产工艺也是影响三阶互调的一个重要因素之一，针对生产工艺的改善应主要关注以下问题：
（1）表面光洁度，是否有毛刺；
（2）装配过程铜铝屑是否处理不干净；
（3）压配尺寸公差是否不合理；
（4）弹性元件插拔力是否不达标；
（5）合路器调节螺钉是否避开了主磁场通道。

4.4 规范安装方法
从工程统计中发现，室内覆盖三阶互调干扰中有10%以上源于器件的安装问题。

正确的安装方式和严格的做接头流程是保证系统减少干扰的重要因素。

具体施工中容易出现的问题有：
（1）无源器件接头安装时发生污染；
（2）电缆和连接器装配过中，内导体尺寸控制不合理；
（3）电缆和连接器安装中，电缆进入导线套后切口不齐、电缆不扩口；
（4）无源器件安装位置不正确或输入输出接头搞反；
（5）接头和无源器件连接中未采用经过校准的扭矩扳手，导致时紧时松。

5 结束语
四网共建室内覆盖系统无源器件的互调干扰是由多种原因构成的。

运营商在建设高质量的室内覆盖网络中，将根据不同的室内覆盖场所进行合理的频率分配。

既要保证网络系统达到抗互调干扰的要求，又要控制无源器件的制造成本，这将是运营商和设备制造商共同追求的目标。

参考文献：
[1] 3GPP.TS25.105. Base Station（BS） radio transmission and reception（TDD）（Release 10）[S]. 2010.12.
[2] 布朗诺维克，康奇兹，米西金. 电接触理论、应用与技术[M]. 许良军，芦娜，林雪燕，等译. 北京：机械工业出版社， 2010.。