无源器件培训资料.ppt

无源器件培训,天馈事业部 2009年7月,一、无源器件概述 二、无源器件电气指标的定义 三、腔体器件与微带器件的比较 四、无源器件的工艺要求 五、室内分布系统应用案例 六、室内分布系统功分器的选择,目录,一、无源器件概述,无源器件分为线性器件与非线性器件。线性无源器件又有互易与非互易之分。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，并满互易原理。通常我们所说的工程用无源器件指的都是线性互易元件。,线性互易元件树状图,一、无源器件概述,线性互易元件,功率分配器件,微波滤波器件,微波谐振器件,连接匹配元件,功分器,微波分支器,耦合器,双工器,合路器,终端负载,衰减器,微带,腔体,微带,腔体,匹配负载,短路负载,失配负载,定向,同轴,同轴线匹配负载,微带匹配负载,阻抗匹配元件,二、无源器件功分器,功率分配器的定义 功分器是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。功分器通常为能量的等值分配，通过阻抗变换线的级联与隔离电阻的搭配，具有很宽的频带特性。功分器基本分配路数为2路、3路和4路，通过它们的级联可以形成多路功率分配。,800MHz2500MH宽频腔体功分器,800MHz2500MH宽频微带功分器,功分器的产品种类,二、无源器件功分器,功分器的典型指标,宽频腔体功分器RD-52（3，4）N/NP-F2：,二、无源器件功分器,电气指标参数说明,插入损耗：器件直通损耗，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，或单路的实际直通损耗减去理想的分配损耗，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,二、无源器件功分器,隔离度：当主路接匹配负载时，各输出口的对端隔离。幅度平衡：指频带内所有输出端口之间的幅度误差最大值。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。注:驻波比和回波损耗是描述器件同一电气指标的两种不同的表达方式。,电气指标参数说明,二、无源器件功分器,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。,功分器的功率容量、承载功率与输入功率,二、无源器件功分器,一般来讲，功分器也可以作合路器使用。区别在于承受的功率不同。以二功分器为例说明。如图：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。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。,功分器为什么不能作大功率合路器使用？,二、无源器件功分器,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1/2out11/2out2。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1/2out11/2out2。,二、无源器件功分器,有一种情况INout1out2是可以成立的。下图是一个100W功率放大器的原理图。,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。,二、无源器件功分器,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。,二、无源器件功分器,定向耦合器的定义 定向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。,二、无源器件耦合器,基站大功率耦合器,800MHz2500MH腔体定向耦合器,800MHz2500MH同轴腔体耦合器,耦合器的产品种类,二、无源器件耦合器,耦合器的典型指标,宽频腔体定向耦合器RC-5NK-xxF3,二、无源器件耦合器,耦合度：当其余端口接匹配负载时，耦合端输出功率 与主线输入功率之比。耦合损耗：由于一定能量传输到耦合端而引起主线输出功率减小，它等于主线插入损耗的理论值。主线插入损耗的最小理论值与耦合度的关系如下：,电气指标参数说明,二、无源器件耦合器,主线损耗：当匹配负载接主线外各端口时，主线插入损耗包括能量耦合损耗和能量耗散损耗两方面。如7dB耦合器的主干损耗为：主干损耗（典型值）=0.9665+0.25=1.2665 dB 若考虑波动（设波动为0.5 dB），则7dB耦合器的主干损耗应为1.35 dB。,电气指标参数说明,二、无源器件耦合器,隔离度：当输入端接匹配负载时，输出口与耦合口之间的隔离。方向性：当功率在指定方向上传输时，耦合端口的输出功率与同样功率在相反方向传输时同一耦合端口的输出功率之差。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386.5=31.5dB,电气指标参数说明,二、无源器件耦合器,功率容量（承载功率）：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。输出口和耦合端口的最大输入功率由耦合度和负载电阻决定。,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。注:驻波比和回波损耗是描述器件同一电气指标的两种不同的表达方式。,电气指标参数说明,二、无源器件耦合器,dB电桥的定义,d电桥是定向耦合器的一种。作为功率合成器使用时，两路输入信号接入互为隔离端口，而耦合输出和直通输出端口互易如作为两路输出，不考虑损耗，则输入信号功率之和平分于两输出口。在工程应用中，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，而这同时，也带来了附加的dB损耗，这对于系统应用来说，对其有源部分的成本和可靠性都会有影响,二、无源器件 dB电桥,电桥的产品种类,电桥的分类主要是根据工作频段的不同和接头形式的不同,二、无源器件 dB电桥,电桥的典型指标,大功率电桥 RB-NKW0,二、无源器件 dB电桥,电桥的主要工程应用,主要应用于同频段内不同载波间的合路应用。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应用。综上，在异频合路应用时，除了同频段内相邻载频（如下行频段内的相邻载频）等只能采用dB电桥而不适用双工多工合路器情况外，建议在使用中优先选用双工多工合路器，以改善系统的性能指标，增加可靠性,二、无源器件 dB电桥,滤波器的定义,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在微波系统中起频率选择的作用。滤波器主要作为模块级产品与主设备进行配套使用，个别情况下需要克服频段外杂波干扰时可单独使用。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。,二、无源器件滤波器,滤波器的典型指标,滤波器FC-8C190117SB301,二、无源器件滤波器,滤波器的分类,四种滤波器的频率相应特性曲线,常用的滤波器类型,二、无源器件滤波器,实现滤波器的形式有很多种，目前使用比较多的有同轴线形式的、微带线形式的、同轴腔形式的、波导形式的等等。同轴线形式一般用于实现低通滤波器。微带线形式滤波器插入损耗较大，功率容量受材料限制。同轴腔滤波器设计较为灵活，插入损耗小，但体积较大。,滤波器的实现形式,二、无源器件滤波器,滤波器的结构组成,二、无源器件滤波器,电气指标参数说明,滤波器的主要指标有：通带频率、通带带宽、插入损耗、带内波动、回波损耗、带外抑制度。滤波器的各个指标都不是独立的，它们之间都存在一定的联系。,二、无源器件滤波器,在其他条件不变的前提下,腔体尺寸增加,Q值增大,插损变小,谐振腔数增加,带外抑制变好，插损变大,成本提高,成本提高,引入传输零点,带外抑制变好，插损变大,成本提高,三阶交调和功率容量要求,腔体体积增大，加工工艺，生产水平提高,如何考虑指标与成本的平衡,二、无源器件滤波器,合路器简介 合路器分为同频合路器和异频段合路器两种。异频段合路器是指两个不同频段的信号功率进行合成所用。,二、无源器件合路器,滤波器1,端口1,端口n,滤波器2,公共端口,滤波器n,端口2,频段合路器(Combiner)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。频段合路器的电性能指标和滤波器指标基本相同；,二、无源器件合路器,频段合路器的定义,设计方法：压缩，陷波，高Q值；实现方法：优质铝镀银材质数控加工；特点：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。,频段合路器的介绍,双频合路器,三频合路器,二、无源器件合路器,合路器的典型指标,双频合路器CM-2WNN1D01,二、无源器件合路器,应用功能对比：合路器电桥功分器,二、无源器件合路器,二、无源器件合路器,室外型防护等级可达到IP65，防凝露设计，防雷设计且带DC Pass 功能。,室外双频合路器,淋水试验,二、无源器件合路器,基站合路器（室外型)作为高端无源器件，在共址共建的基站配套业务中将占据越来越重要的地位。,二、无源器件合路器,双宽频合路（CDMA800&GSM900/GSM1800&WCDMA）双频合路（GSM1800/WCDMA）三频合路（CDMA800&GSM900/GSM1800/WCDMA）,对同频合路器来讲，由于信道间隔很小（250KHz），不能采用谐振腔选频方式来合路，因此只能采用宽带合路器件，经典的作法是采用3dB电桥。3dB电桥有两个输入口和两个输出口，两载频合路后，两个输出口可作信号输出用，若只需要一个输出信号，则另一输出口需要负载吸收，此时的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。四载频的合路需要3只3dB电桥来完成。,同频合路器的定义,二、无源器件合路器,当电桥作为同频合路使用时，其中一个端口需要接一个承载功率足够大的负载,二、无源器件合路器,衰减器是二端口互易元件 衰减器最常用的是吸收式衰减器工程中通常使用的是同轴型衰减器，由“”型或“”型衰减网络组成。同轴衰减器通常有固定及可变衰减两种。衰减器主要用于检测系统中控制微波信号传输能量、消耗超额能量，因而扩展信号测量的动态范围，诸如功率计，频谱分析仪，放大器，接收器等。负载是一种特殊的衰减器，衰减度为无限大。,二、无源器件衰减器,衰减器的定义,衰减器的产品种类,衰减器的分类主要是根据衰减度的不同和功率容量的不同,二、无源器件衰减器,随着运营商对系统指标及质量要求的提高，部分运营商对无源器件也提出了更高的要求，如上海移动、上海电信、广东移动、广东电信等运营商，均要求使用腔体耦合器件，我公司根据市场的这一需求，开发了全系列的腔体器件。,三、腔体器件与微带器件的比较,腔体耦合器的特点,三、腔体器件与微带器件的比较,腔体功分器的特点,三、腔体器件与微带器件的比较,首先，它的核心电路设计要求精确。第二，它使用的材料要求符合工程器件要求。第三，器件的加工工艺是器件整体可靠性的保证。第四，器件的工程安装要求方便,四、无源器件的工艺要求,相对有源来讲，由于构成无源器件的原件非常之少，所以它的生产相对简单，但是由于器件的频率很高，对于加工细节的要求也相应较高。,电缆头内导体采用铍青铜材料，加工并收口处理后，滚镀银或三元合金或金；外导体采用黄铜材料，加工后表面作三元合金或镀银处理。我们来作个实验：在电缆接头的内导体插孔中插入摄子钳，电缆接头的内导体插孔大约被扩张1mm。摄子钳拔出后，内导体插孔没有收缩到原位，内导体被损坏，见照片。造成该现象的原因是内导体未采用铍青铜的弹性材料，而使用的是普通无弹性铜材，其后果是电缆头内导体不能形成持久的抓力，在使用一段时间后，由于腐蚀氧化等原因，最终造成电缆头和电缆座接触不良。,使用的材料要求符合工程器件要求,四、无源器件的工艺要求,电阻采用射频微带大功率厚膜电阻。无源器件所标注的功率容量往往很难进行测试，该指标除了和设计、选材与制作方式有关外，功率负载的功率容量是一个主要的因素。通常耦合器的一个端口接负载，以6dB为例，当该器件在输出端口承载2W功率的信号时，则在负载上要承载0.5W功率，部分厂商为了节省成本，在此采用了1/8W贴片电阻，实际上根本无法承载所要求的功率。为了保证器件所能承载的功率（输入端口300W，或输出端口2W），我公司生产的器件均采用5W的功率负载电阻。,四、无源器件的工艺要求,电路板采用聚四氟乙烯玻璃布覆铜板加工而成，表面镀金或镀锡 焊锡采用无铅高温焊锡，保证器件在高温环境下工作的可靠性。,使用的材料要求符合工程器件要求,三阶交调要求：无源器件的三阶互调主要由接头部分产生。我们对器件所用的接头进行了严格控制，包括结构尺寸、材料、镀层等方面。结构尺寸符合国标；接头内导体材料用铍青铜，可保证接触紧密。镀层采用三元合金或镀银，镀金零件不用镍打底。采取以上措施，可有效的提高器件的三阶互调指标。,四、无源器件的工艺要求,采用整体铝材铣床加工全部采用不锈钢螺丝表面防腐处理上下盖装配时涂防水导电胶,例如，在防水、防腐、防锈、防尘、防潮的工艺处理：,四、无源器件的工艺要求,器件的加工工艺是器件整体可靠性的保证,工程安装支架,四、无源器件生产的工艺要求,器件的工程安装要求方便,客户提出的原方案 客户要求:C、G两网合路，其中GSM直放站频率为上行885-915MHz，下行930-960MHz，CDMA频率上行为825-835MHz，下行为870-880MHz。,五、室内分布系统应用案例,电信CDMA和移动GSM合路案例,原方案图,五、室内分布系统应用案例,由上图可知，该室内覆盖系统要求将GSM和CDMA网络经合路器合路后，由一个二功分器分成两路，再经多级耦合器耦合后覆盖各室内盲区。其中CDMA端接入一个CDMA双工滤波器，将885-915MHz频段的干扰滤除（由于GSM信号的上行频段为885-915MHz，CDMA的下行频段870-880MHz，两频段只有5MHz的间隔，C网的发信将导致G网的收信产生干扰，须要用滤波器将885-915MHz干扰信号滤除）。,原案例分析,五、室内分布系统应用案例,为保证C和G网的正常运作，两网之间的带外抑制必须保证在70dB。就目前技术而言，C网端接入的滤波器在880-885MHz（5MHz带宽）的带外抑制约为40dB，合路器在880-885MHz（5MHz带宽）的带外抑制约为10dB（max），经线性叠加，只能达到50dB的抑制，明显不能满足系统带外抑制（70dB）要求。故此方案不可行。,原方案可行性分析,五、室内分布系统应用案例,根据该室内覆盖系统的要求，CDMA和GSM由合路器合路后再经二功分器分为两路，形成一个两进两出的结构，故可以将该合路/分路系统用3dB电桥（电桥的两个输入口有30dB的隔离度）替代，因此可以提高整个系统的抑制。电桥的30dB抑制与CDMA双工滤波器的40dB的抑制线性叠加，即可达到系统要求的70dB的带外抑制。在GSM主机端加入一个GSM双工滤波器，可以确保GSM网络不受其频段以外杂波的干扰，从而提高GSM信号的收发质量。通过对原方案的修改，可以保证CDMA和GSM两网正常工作，且互不干扰。,理论论述,五、室内分布系统应用案例,更新方案图,五、室内分布系统应用案例,功分器在室内分布系统中有广泛应用，它可以将基站的发射信号（Tx）分配成多路送到多个天线，同时可以将天线接收到的信号（Rx）返回基站接收机。典型的二路功分器有微带（Wilkinson）和腔体（电抗）两种，二者各有优点，本说明阐述二者的区别。,六、室内分布系统功分器的选择,电抗功分器一般为同轴结构，它将输入的50阻抗变换为25（使用内外导体的不同比率），25阻抗可以与两个输出50的并联阻抗良好匹配。,电抗功分器和Wilkinson功分器的特点,六、室内分布系统功分器的选择,Wilkinson功分器通常用微带结构设计，由一对1/4波长阻抗为70.7的微带线组成，输出端口之间串联一个100的电阻。,电抗功分器和Wilkinson功分器的特点,六、室内分布系统功分器的选择,在腔体功分器中,Port 1 的输入信号变换为25，可以与输出口Port 2（50）和Port 3（50）的并联阻抗良好地匹配，使输入端口具有良好的驻波VSWR。在微带功分器中，信号平均分成等幅同相的两路 Port 2 和 3。因为在电阻的两端电压相同，没有电流通过电阻。1/4波长线的特性阻抗是70.7（2*50），当Port 2 和 3接50负载时，输入端具有良好的驻波VSWR。,端口1（Port 1）输入的Tx信号:,六、室内分布系统功分器的选择,在腔体功分器中，Port 2 的输入信号是失配的，25%的信号会被反射掉，25%的信号将传到输出口Port 3，50%将直接送到Port 1，等效为Rx信号损耗3 dB。在微带功分器中，Port 2的信号是50匹配的，但功率被负载电阻和Port 1平均分配。电阻的作用是Ports 2 和 3的退耦，但同时对Rx信号有50%（3 dB）损耗。,端口2（Port 2）输入的Rx信号:,六、室内分布系统功分器的选择,腔体功分器内导体的材料用黄铜，表面镀银，外壳用铜或铝，用空气介质，可以认为是损耗最小的传输线（除超导），损耗通常为0.05 dB或更小，但通常标为0.1 dB，因为要测试这么小的插损非常困难。微带功分器采用微带设计，具有固有的0.3 到0.5 dB的损耗。听起来并不大，但经过多个功分器的累积，结果是很大的。,插损是无线分布系统设计的天敌,六、室内分布系统功分器的选择,对微带功分器来说，如果电缆或天线损坏，可能造成功分器的开路或短路。但因为输出间有隔离，一个臂的问题不会影响到另一臂。但是，还有一种情况是Tx 信号被反射，而Tx信号比Rx信号大许多倍。因为微带要求体积小，其电阻额定功率也小，一般为100mw，所以，对于消耗Rx信号是没有问题的，但当电路（天线、电缆）开路或短路时产生的反射Tx信号，足够烧坏这个脆弱的电阻。一旦电阻烧坏，功分器将不会正常工作，使网络的恢复更加困难。腔体功分器没有电阻可烧，所以一旦解决了开路或短路问题，即可马上恢复正常工作。,系统的可靠性和安全性,六、室内分布系统功分器的选择,腔体功分器和微带功分器工作方式非常相似，但腔体功分器插入损耗更小。虽然输出端口间隔离有好处,但隔离电阻可靠性问题与之抵触。,小结,六、室内分布系统功分器的选择,Thanks!,