实用！室内分布系统无源器件大全

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):



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。



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。