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【摘 要】通信系统和器件向着宽带化、多端口、多信道、大功率等方向发展,POI无源混合互调严重影响通信系统的容量和质量,首先介绍了POI系统的结构组成,接着对POI无源混合互调产生的因素进行了系统的梳理和分析,并且列举出了实际案例和解决思路。
【关键词】POI 无源混合互调 上下型分缆 频谱调整 多频合路器
中图分类号:TN929.52 文献标志码:A 文章编号:1006-1010(2016)18-0033-06
1 引言
随着LTE技术的快速发展,市场对于多系统接入平台POI(Point of Interface,多系统合路平台)的需求越来越大,如大型建筑、市政设施、大型展馆、地铁、火车站、机场、政府办公机关等场所。中国铁塔公司成立后更加专注于三大运营商网络的共建共享,旨在减少重复建设、降低运营成本。而无线网络应用环境越来越复杂,一个运营商拥有多种制式、多段频率,一个覆盖区内多系统、多网络、全频段共存的情况也将越来越多。多系统接入平台POI采用超宽频合路技术,实现多运营商、多系统、多制式信号合路,并通过较高的隔离度降低系统之间的杂散和阻塞干扰,保证系统的正常运行,满足共天馈系统覆盖需求,可以实现共建共享的理念。
目前POI系统接入的三大运营商的主流制式包括中国电信CDMA、LTE 1.8GHz、LTE 2.1GHz,中国联通WCDMA、LTE 1.8GHz,中国移动GSM、DCS、TD-F、TD-E,各无线通信系统分别工作在800 MHz、900 MHz、1800 MHz、1900 MHz、2100 MHz、2300 MHz等多个无线通信频段上。网络质量对POI的混合互调要求通常较高,POI的混合互调控制水平是衡量一个POI无源系统厂家综合实力的重要指标。
本文首先介绍了POI混合互调基本原理,然后介绍了POI的结构组成。POI的主体结构由机箱、多频合路器、电桥以及射频电缆组成。为提高POI的混合互调指标、批量生产一次达通率以及为了提高POI系统的稳定性和可靠性,需要对POI混合互调规避方法进行系统地定性和定量研究。本文提炼出了对POI混合互调规避分析的五个方案,即POI输入制式选择、频率调整、上下行分缆、末端电桥合路、多频合路器工艺。
2 无源混合互调
当两个信号频率或多个信号频率同时通过同一个无源传输系统时,由于传输系统非线性的影响,使基频信号之间相互调制产生非线性频率分量。这些无源交调产物如果落在接收频带内,又有足够的幅度,则会形成对基波信号频率的干扰,这种干扰称为无源交调干扰。
无源互调是指同一个制式的无源互调是在非线性射频线路中由载波信号及其多次谐波相互调制产生的噪音信号,如图1所示。同一制式的两个频率的发射信号经过非线性的射频线路后产生的无源互调如公式(1)所示:
FIM=mf1±nf2 (1)
其中,m、n是互调阶数。互调信号的强度用dBm表示,具体可由公式(2)进行定义。
互调信号的强度(dBm)=10lg(互调干扰强调/1 mW)
3 POI的结构组成
3.1 POI的原理结构
POI的主体结构由外机箱、多频合路器、电桥以及射频电缆组成,具体如图2所示。外机箱用来装置多频合路器、电桥射频电缆等无源模块和射频线缆集采系统,保护POI系统免受外部环境影响,常用的外机箱主要有钣金机箱和铸铝机箱。多频合路器是POI系统所有通信制式的合路主体,基站的输入信号在POI系统前级的多频合路器进行合路,多频合路器可以对三大运营商异频制式进行合路。电桥的作用是基站同频输入信号进行合路,同时保证所有输入信号实现等幅两路输出。射频电缆主要用于实现多频合路器和电桥等无源模块的级联。
3.2 POI的混合互调
混合无源互调是指不同制式频率组合产生的无源互调,如制式一对应的下行频率为f1,制式二对应的下行频率为f2。当f1>f2时,三阶混合互调(混合IM3)产物,频率为2×f1-f2和2×f1+f2;五阶混合互调(混合IM5)产物,频率分别是3×f1-2×f2和3×f1+2×f2;七阶混合互调(混合IM7)产物,频率分别是4×f1-3×f2和4×f1+3×f2,具体如图3所示。
接入POI系统的三大运营商的主流制式主要为中国电信CDMA、LTE 1.8GHz、LTE 2.1GHz,中国联通WCDMA 、LTE 1.8GHz,中国移动GSM、DCS、TD-F、TD-E,通过图1所示的频率分析,POI存在十种主要混合互调,如表1、表2所示。
4 无源混合互调分析
4.1 低互调合路器工艺
互调干扰的产生是由于器件的非线性度,POI的混合互调的最大值主要是由多制式合路的前级多频合路器非线性导致。承载POI前级输入信号合路的多频合路器的工艺水平及腔内场强控制决定了无源混合互调干扰强度,多频合路器工艺主要解决接触非线性和材料非线性产生的无源混合互调。
接触非线性是指各部件相互接触而产生的非线性电流或电压现象,如部件之间不同金属材料的接触等。一天化飞杆和插入式馈电耦合避免接触非线性产生的无源互调,如图4(a)、图4(b)所示。材料非线性是指多频合路器的腔体材质都是铝材,铝材的非线性造成导体中有交流电或者交变电磁场,导体内部的电流分布不均匀,电流集中在导体的“皮肤”部分,也就是说电流集中在导体外表的薄层,越靠近导体表面,电流密度越大,导线内部实际上电流较小,这一现象称为趋肤效应。多频合路器的互调对镀层的表面质量敏感,镀层的表面质量主要由机加件或压铸件的表面粗糙度决定,同时受到电镀工艺的影响,需要镀上5倍趋肤深度的银层,如图4(c)所示。趋肤深度可由公式(3)、公式(4)进行定义。
其中,δ表示趋肤深度,单位为m;σ为金属的电导率,单位为S/m;f为频率,单位为kHz;μ0真空的磁导率,单位为H/m; μr为材料的相对磁导率。
多频合路器在设计制造时,工艺需要做到如下几点可有效避免无源混合互调干扰:
(1)良好的加工质量及表面处理质量;
(2)合理的结构设计;
(3)免焊接技术、一体化设计;
(4)优良的紧固措施;
(5)避免使用铁磁材料;
(6)规范的工艺流程。
4.2 末端3 dB电桥合路
设混合互调产物简易电路模型评估中,Q0、QL分别为腔体无载和有载Q值,Px为腔体固有的互调产物PIM,Pin为输入功率值,三阶混合互调产物PIM如公式(5)所示:
PIM(dBm)=3Pin(dBm)-2Px+40lg+20lgAkBk(5)
由公式(5)可知,对于三阶互调,参与互调的信号“都”降低1 dB,则互调干扰产物降低3 dB。如图5所示,多频合路器在前端接入功率更大,在合路时容易引起混合互调干扰的POI的输入制式接入不同多频合路器,在互调为-160 dBc@2×43 dBm的3 dB电桥合路处合路。如制式一中国联通SDR与制式二中国电信LTE 1.8GHz输入信号同时通过多频合路器,信源输入功率都为43 dBm,多频合路器和接头线缆的插入损耗共计1.5 dB,信号经过多频合路器后,信号衰减1.5 dB,中国联通SDR信源输入功率为41.5 dBm,中国电信LTE 1.8GHz信源输入功率为41.5 dBm。根据公式(5)分析,无源混合互调产物值降低-4.5 dB,即3 dB电桥处产生的混合互调为-164.5 dBc@2×41.5 dBm,在末端3 dB电桥处合路时可有效避免混合互调干扰。
4.3 上下行分缆
在移动通信中,空间隔离度即天线间的耦合损耗,是指某一发射机发射信号功率与该信号到达另一可能产生互调产物的发射机输出端(或者接收机输入级)的功率比值,以dB表示。如图6所示,在源天线馈入一个信号PT,通常将PT电平调为0 dBm,然后用综合测试仪测量施主天线接收的信号电平PR,空间隔离度为I,如公式(6)所示:
I=PT -PR (6)
收发天线间足够的隔离度可以保证接收机的灵敏度。因为位于同一基站或附近基站的发射机产生的带外信号或者带内强信号将使接收机底噪抬升或者阻塞,可通过设计两基站天线间足够的空间距离,滤除带内无源混合互调干扰。隔离方式一般分为水平隔离、垂直隔离和倾斜隔离,0.5 m的室分天线水平空间隔离可实现50 dB信号衰落。
水平隔离度见公式(7):
DH(dB)=22.0+20lg(d/λ)-(Gt+Gr)+(Dt+Dr) (7)
其中,22.0为传播常数;d为收发天线水平间隔,单位为m;λ为天线工作波长,单位为m;Gt、Gr分别为发射和接收天线的增益,单位为dB;Dt、Dr分别为发射和接收天线的水平方向性函数造成的损耗,具体数值可以在天线方向图中查得,当收发天线夹角为180°时,方向性损耗即为天线的前后比。
POI系统主要有两种设计思路,一种是收发合缆,一种是收发分缆,如图7(a)、图7(b)所示。相比收发合缆POI,收发分缆POI可利用室分天线水平空间隔离实现较好的上下行隔离度,使混合互调产物降低50 dB左右,收发分缆不仅易实现POI系统LTE MIMO,而且是POI规避混合互调最有效的手段。
4.4 制式选择
对于小型应用场景,为节省网络建设投资,运营商会选择6系统POI建网思路,表3中列出了POI输入制式在1800 MHz频段存在的混合互调。由分析可知,中国联通SDR与中国电信LTE 1.8GHz作为输入端口,计算得到五阶混合互调落在中国联通WCDMA上行;选择中国电信LTE 1.8GHz与中国移动TD-F作为输入端口,其三阶段混合互调落到中国电信LTE 2.1GHz与中国移动TD-F上行;选择中国联通SDR与中国移动TD-F作为输入端口,其三阶混合互调落在中国联通WCDMA与中国电信LTE 2.1GHz上行。
为了规避6系统POI在1800 MHz频段的混合互调干扰,POI输入系统避免中国联通SDR与中国电信LTE 1.8GHz、中国电信LTE 1.8GHz与中国移动TD-F、中国联通SDR与中国移动TD-F同时作为输入制式,从而从根源上抑制了POI在1800 MHz产生无源混合互调。表4给出了6系统POI输入制式方案选型,方案中中国移动选择GSM、TD-E,中国联通选择WCDMA、LTE 1.8GHz,中国电信选择CDMA、LTE 2.1GHz作为输入制式,从而有效规避了1800 MHz混合互调的产生。
4.5 频率调整
混合互调是由不同制式合路时产生的,混合制式对应的频段是产生混合互调的关键,POI在网络应用中出现混合互调干扰时,一种行之有效的解决方案是频谱调整。
表5为POI系统组网频段,包含中国联通的WCDMA、中国联通及中国电信的LTE 1.8GHz三种制式。由表6可知,中国联通LTE 1.8GHz与中国电信LTE 1.8GHz产生的五阶混合互调产物1760 MHz—1960 MHz落到联通WCDMA的上行1940 MHz—1980 MHz,对其产生混合互调干扰。表7通过调整POI输入系统中国联通LTE 1.8GHz的输入频段,将输入频谱1840 MHz—1860 MHz调整为1845 MHz—1860 MHz,频谱调整后五阶混合互调产物落到1785 MHz—1935 MHz,远离中国联通WCDMA的上行,规避混合互调干扰。
5 结束语
本文首先介绍了POI混合互调的基本原理,然后介绍了POI的结构组成,在此基础上逐项剖析了如何规避POI混合互调分析的五个方法,即POI输入制式选择、频率调整、上下行分缆、末端电桥合路、多频合路器工艺。POI输入制式选择在POI设计初期重点考虑,频率调整可应急处理工程互调干扰问题,上下行分缆是避免POI互调干扰最有效的手段,末端电桥合路方案适用于更多系统合路,多频合路器工艺注重POI内部模块质量,最后强调POI混合互调需要定性和定量来进行分析。本文的分析研究对POI混合互调研究的进一步发展有一定的指导和借鉴意义。
参考文献:
[1] 张世全,葛德彪. 通信系统无源非线性引起的互调干扰[J]. 陕西师范大学学报:自然科学版, 2004(1): 58-62.
[2] 李明德. 无源交调干扰(PIMI)的产生与预防——射频连接器低PIM设计[J]. 机电元件, 2005(2): 3-18.
[3] 丁亚玲,徐云东,张玉山. 卫星无源互调抑制及测量方法研究[J]. 上海航天, 2015(2): 54-58.
[4] 范颂东. 基站天线无源互调干扰的分析与预防[J]. 机电信息, 2014(9): 146-148.
[5] 叶强,周浩淼,邹新民,等. 基于计算机一体化无源互调测试系统的研究[J]. 仪器仪表学报, 2009(7): 1540-1545.
[6] 唐志辉,李洪超,王苏明. 非线性媒质无源交调电平预测[J]. 中国空间科学技术, 2010(3): 43-50.
[7] 杜援,邱阳,戚文敏,等. 浅谈移动通信系统中互调干扰的产生和排查[J]. 数字技术与应用, 2014(3): 40.
[8] 张世全,葛德彪,魏兵. 微波频段金属接触非线性引起的无源互调功率电平的分析和预测[J]. 微波学报, 2002(4): 26-30.
[9] 赵建勋,陆曼如,邓军. 射频电路基础[M]. 西安: 西安电子科技大学出版社, 2010.
[10] 朱辉. 实用射频测试和测量[M]. 2版. 北京: 电子工业出版社, 2012.
[11] 雷振亚. 射频/微波电路导论[M]. 西安: 西安电子科技大学出版社, 2005.
[12] 中国联合网络通信有限公司. 中国联通室内分布系统设备技术规范[Z]. 2014.