低温与超导第39卷第7期
其它OthersCryo．＆Supercond．Vol．39No．7
多频合路器单元关键技术设计
汪自浒
（安徽易科技术有限公司，合肥230601）
摘要：资源集约化多网融合、多系统共用信号分布组网是大势所趋；无线移动通信的多频合路器单元，就是基目的是解决无线信号的室内分布覆盖问题。文中重点就多频合路器单元设于无线通信多网多频兼容技术而设计，
计过程中滤波器建模仿真、无源互调、温漂补偿三个关键技术展开论述。
关键词：室内分布覆盖系统；无源互调；温漂补偿
Designonkeytechnologiesofmulti－frequencycombiner
WangZihu
（AnhuiE－comTechnologyCo．，Ltd．，Hefei230601，China）
Abstract：Resource－intensivemulti－networkfusionandmultiplesystemsharedsignaldistributionnetworkarethetrendoftheinterest．Thewirelessmobilecommunicationmulti－frequencycombinerunitisbasedonwirelesscommunicationnetworkmultifrequencycompatibletechnologyanddesign．Itspurposeistosolvethewirelesssignalindoordistributioncoverageprob-lems．Thisarticlefocusedonanddiscussedthreekeytechnologiesofmultiple－frequencycombinerunitdesignprocessmodelingandsimulationinthefilter，passiveintermodulation（PIM），temperaturedriftcompensation．
Keywords：Indoordistributioncoveragesystem，PIM，Temperaturedriftcompensation
1
1．1
滤波器建模仿真
概述
单元还具有可调节功能，以适应不同带宽的要求。本文就四网络多频合路器单元的核心滤波器进行
设计分析。1．2
术语和缩写
CDMA：CodeDivisionMultipleAccessGSM：GlobalSystemforMobileCommunica-tions
DCS：Distributedcontrolsystem
WCDMA：WidebandCodeDivisionMultipleAccess1．3
四网络多频合路器单元组成框图
室内分布覆盖系统主要由信号源和信号分布覆盖系统两部分组成，目的是将信号均匀分布在室内每个角落，从而保证室内区域拥有理想的信号覆盖。信号源可选择的有宏（微）蜂窝或直放站，信号分布覆盖系统由合路器、耦合器、功率分配器、室内天线、馈线等无源器件和传输电缆组成。随着地铁、大型展馆、大型建筑群等的出现，室内分布覆盖系统也出现新的特点，多运营商、多种通信制式共用信号分布系统已作为信号公共的输入输出平台，正得到广泛推广应用，它可以大大提高网络的建设速度和降低重复建设的成本。
多系统共用信号分布组网就是将多频段、多系统、多运营商的信号，以公共输入输出平台共用信号分布系统的方式多网共融，主要应用于室内分布覆盖系统，实现多频段、多系统的信号共路双向或单向传输，具有体积小、重量轻、插入损耗小、低互调、高功率等优点；其中采用的多网络合路器
收稿日期：2011－07－07
图1Fig．1
组成框图Blockdiagram
四网络多频合路器单元是多频段、多系统室
内分布覆盖系统重要组成部分，由四个网络滤波
作者简介：汪自浒（1964－），男，工程师，主要研究方向：市场营销。
·80·其它Others
第7期
器单元和公共端口组成。滤波器单元的一个端口
另一个通过公共端口和室内分布覆盖系统相连，端口和不同的网络信号相连。每个滤波器单元对
允许通过的网络信号具有低损耗、对不允许通过的网络信号具有高抑制的特点，从而达到滤除其他网络信号滤波器寄生通带引入的干扰信号，提高系统抗干扰性能。1．4设计方案
表1
Tab．1
通道CDMA通道GSM通道DCS通道WCDMA通道
四网络多频合路器单元采用公共腔设计，减
简化了由于多通道合路少了公共端口合路数量，
引起的端口加工及调试复杂性问题。
（1）滤波器HFSS仿真：
依据技术指标分配、外形结构尺寸及功率容量要求，对滤波器进行谐振腔的综合仿真排布（见图2），并确定了通道滤波器的单腔尺寸和滤波器单腔仿真参数（见表1）：
滤波器单腔HFSS仿真参数（L：指谐振频率时调谐螺钉进入腔的长度）
FiltersinglecavityHFSSsimulationparameters
谐振杆Φ10．4×27．5Φ10．4×27．5Φ10．4×18Φ10．4×18
调谐螺钉M4×LM4×LM4×LM4×L
谐振频率850MHz930MHz1800MHz2000MHz
Q值[**************]0
单腔尺寸30×30×3430×30×3430×30×3430×30×34
把归一化后的k值和中心频率与综合仿真参数相比较，不断地改变HFSS模型中的耦合槽宽，当设计的耦合系数和仿真的耦合系数较为接近时（精度为±0．2dB），记录此时的耦合槽宽，并依次计算各个耦合槽的宽度。
（3）经验修正
图2
Fig．2
谐振腔综合仿真排布
在对耦合系数进行仿真时，应考虑到经验数
对耦合值进行适当的修正。经验数据的重要性，
据在对有CQ（或CT）节的地方槽的耦合值做了
减小2dB的修正；对没有CQ（或CT）节的地方槽的耦合值做了减小1．8dB的修正；对端口槽的耦合值做了减小1．5dB的修正。这样的经验修正在实际应用中非常重要。
Resonantcavitysimulationarrangement
（2）滤波器耦合槽仿真：
先用HFSS根据图2实际尺寸建模（见图3），用奇偶模算法，在用本征模仿真求解时得到fe和fm，分别代入方程式（1）和方程式（2）中，计算耦合系数k和中心频率f0
。
2无源互调方案设计
PassiveInterModulation）：多无源互调（PIM，
个载波通过无源器件时产生的互调现象通常称为
无源互调（PIM），在大功率多通道通信系统中的无源互调产物，已成为通信系统中的寄生干扰之一。无源低互调方案设计是个复杂技术问题，它
图3Fig．3
谐振腔模型设计
是近几年才被大家认知和重视的，以前的系统对
但随着通信系统的要求无源互调的要求并不高，
（1）（2）
低互调技术也越来越受重视。越来越高，
2．1无源互调的产生机理
金属接触非线性互调产生的原因主要是连接处的松动和腐蚀，其伏安特性是一条曲线，具体的
Resonantcavitymodeldesign
2
m2m
k=
mf－f=
lf+f
2e2e
f0=em
第7期其它Others·81·
产生机理如下：穿过金属接触处薄氧化层（厚度
）的电子隧道效应和半导体行为；通过金小于50A
属结构中的砂眼和微狭缝的二次电子倍增效应；
与金属表面污垢、金属粒子和碳化有关的非线性；与金属接触处的大电流有关的非线性；不良的装配工艺引起的非线性；由强电流引起的金属接触面相对运动的热循环。
线性和非线性没有严格的界限，金属接触通
但在大功率情况下表现出非常被认为是线性的，
线性效应。当两个或两个以上的信号在具有非线
性特性的无源器件（如滤波器、双工器、隔离器、天线或波导接头以及各种金属接触）中混合时，产生无源互调产物f，见图4
。
图4
Fig．4
无源互调干扰的简化说明图
Simplifieddescriptionofpassiveintermodulationinterference
设非线性器件由两个频率分别为f1和f2的
非调制信号激励：
Vi=A1cos（2πf1t）+A2cos（2πf2t）
（3）
A1和A2是两方程式（3）中Vi是合成信号，
个激励信号的幅度。非线性器件的传输函数可用一个n阶幂级数表示：
V0=C1Vi+C2Vi2+C3Vi3+……CnVin
（4）
般只关注到三阶互调（IM3）要求。2．2无源互调改善措施
非线性效应引起的互调不能完全消除，只能设法尽量改善。主要的改善措施有：
（1）确定关键性压接面：如果关键性压接面压接不紧或者压接不平时会导致互调的产生。提高不同材料的连接工艺，确保连接可靠，尽量做到无缝隙。例如，使用扼流连接或其它电介质连接，提供足够的电流通道，保持所有的机械连接紧固平整。
（2）确定焊接面光滑：如果焊接面不光滑或有毛刺时也会导致互调的产生；
（3）确保内腔或关键压接面未受到污染或氧化：如果滤波器在装配过程中内腔清理不干净也会导致互调的产生，可以采用超声波清洗的方法来解决过程受污染或氧化问题。
（4）在电流通道上尽可能避免使用调谐螺丝
V0是输出信号，C1，C2，C3，方程式（4）中，
……是依赖于非线性器件特性的系数。将方程式（3）代入式方程式（4）并整理，就可得到V0的频谱（见图5），由两个激励信号、许多新产生的谐波信号以及互调信号组成
。
图5Fig．5
无源器件非线性输出频谱Passivenonlinearoutputspectrum
或金属与金属接触的活动部件。如果非用不可，
应将它们放在低电流密度区域。
（5）导电通道上的电流密度应保持低值。例如，导体块接触面要尽量大。（6）保持最小的热循环，减小金属材料因热胀冷缩产生的非线性接触。2．3
无源互调测试方法
测试方法如下图6所示，在连接过程中保证
互调（IM）产物在下列方程（5）所描述的频率处产生：f（IM）=mf1+nf2
（5）
n均为整数，式中m，可为零、正整数和负整
数。（|m|+|n|）定义为互调产物的阶数。值得一提的是，两个以上的信号在非线性器件上相互PIM产物数目增加得很快，作用时，互调产物的幅度一般来说随阶数的增加而下降。实际应用中一
接头间有良好的同轴度并应按照所需力矩旋紧各连接接头。
·82·其它Others
第7期
图6
Fig．6
互调测试系统
Intermodulationtestingsystem
3温漂补偿
温漂补偿（Temperaturedriftcompensation）：
材质谐振杆与谐振腔内部的铝材质台阶配合；在DCS和WCDMA频段上我们使用了6061铝质谐振杆与腔体一体化加工设计，减少了谐振杆的分体温漂，在温度从－40℃～+85℃变化范围内频率漂移可以整体控制在900kHz以内，有效地解决了由于温漂导致的合路器单元综合性能不稳定
确保了指标的设计余量，保证了批量生产的问题，可实现。
当多频合路器单元的金属腔体滤波器随温度变化
其温漂特性频率随温度变化而变化；因滤波器时，
产生频率漂移而对滤波性能影响很大，因此需要对滤波器各个分腔体或部件进行温漂补偿。本文所述多频合路器单元的滤波器频带较窄，而频率又较高，导致滤波器温漂较大，如采用一般的设计方法将无法满足滤波器指标要求。在滤波器设计中充分考虑了温度变化引起的频率漂
CDMA、GSM通道温度漂移小移（根据实践经验，
于500K；DCS、WCDMA通道温度漂移小于
1000K），所以在综合仿真时，通带适当展宽1MHz。在CDMA及GSM频段谐振杆材料的使用上采用了膨胀系数更适合有加载盘面的铜质材料来适应CDMA及GSM频段的高低温特性。为满足滤波器温度范围宽、近带抑制大的性能要求，设计中在高频谐振器的谐振杆材质上采用多样化，Y12铝；10#钢、45#钢；H59铜、H62比如6061铝、
铜等等。由于不同材质的温度系数不同、谐振器及谐振杆的结构形状不同等原因，会导致谐振器的谐振频率在高低温状态下的漂移不尽相同；为满足滤波器指标要求，只在有限的腔体空间内通过滤波器级数或抑制点的增加会因温漂问题而难以实现。因此通过前期的模拟仿真结合后期的不断试验，针对不同的谐振频率采用了不同的谐振杆外形结构及材料进行差异化设计：在CDMA和GSM频段上我们使用了带有加载盘面的H59铜
4结论
本文针对无线通信多网络合路器单元的设
对其中的多频滤波器仿真建模结构进行充分计，优化，首先在温漂效应上采用不同材料、不同结构设计进行补偿，保证了从－40℃～+85℃范围内频率漂移可以控制在900kHz以内，滤波器单元性能稳定可靠；其次在多频合路器单元整体设计过程中充分考虑互调的产生机理和改善措施，使PIM三阶互调达到IM3≤－160dBc（+43dBm×2）的行业先进水平，实现了无源互调信号寄生干扰最小化。参考文献
［1］IEC61000－4－1～6，Electromagneticcompatibilityex-perimentandmeasuringtechniques．
［2］ETSIETS300/019－2－1/2/3，Europeancommunica-tionequipmentenvironmentconditionsandexperimentstandard．
［3］张世全，傅德民，葛德彪．无源互调干扰对通信系统
J］．电波科学学报，2002（2）．抗噪性能的影响［
低温与超导第39卷第7期
其它OthersCryo．＆Supercond．Vol．39No．7
多频合路器单元关键技术设计
汪自浒
（安徽易科技术有限公司，合肥230601）
摘要：资源集约化多网融合、多系统共用信号分布组网是大势所趋；无线移动通信的多频合路器单元，就是基目的是解决无线信号的室内分布覆盖问题。文中重点就多频合路器单元设于无线通信多网多频兼容技术而设计，
计过程中滤波器建模仿真、无源互调、温漂补偿三个关键技术展开论述。
关键词：室内分布覆盖系统；无源互调；温漂补偿
Designonkeytechnologiesofmulti－frequencycombiner
WangZihu
（AnhuiE－comTechnologyCo．，Ltd．，Hefei230601，China）
Abstract：Resource－intensivemulti－networkfusionandmultiplesystemsharedsignaldistributionnetworkarethetrendoftheinterest．Thewirelessmobilecommunicationmulti－frequencycombinerunitisbasedonwirelesscommunicationnetworkmultifrequencycompatibletechnologyanddesign．Itspurposeistosolvethewirelesssignalindoordistributioncoverageprob-lems．Thisarticlefocusedonanddiscussedthreekeytechnologiesofmultiple－frequencycombinerunitdesignprocessmodelingandsimulationinthefilter，passiveintermodulation（PIM），temperaturedriftcompensation．
Keywords：Indoordistributioncoveragesystem，PIM，Temperaturedriftcompensation
1
1．1
滤波器建模仿真
概述
单元还具有可调节功能，以适应不同带宽的要求。本文就四网络多频合路器单元的核心滤波器进行
设计分析。1．2
术语和缩写
CDMA：CodeDivisionMultipleAccessGSM：GlobalSystemforMobileCommunica-tions
DCS：Distributedcontrolsystem
WCDMA：WidebandCodeDivisionMultipleAccess1．3
四网络多频合路器单元组成框图
室内分布覆盖系统主要由信号源和信号分布覆盖系统两部分组成，目的是将信号均匀分布在室内每个角落，从而保证室内区域拥有理想的信号覆盖。信号源可选择的有宏（微）蜂窝或直放站，信号分布覆盖系统由合路器、耦合器、功率分配器、室内天线、馈线等无源器件和传输电缆组成。随着地铁、大型展馆、大型建筑群等的出现，室内分布覆盖系统也出现新的特点，多运营商、多种通信制式共用信号分布系统已作为信号公共的输入输出平台，正得到广泛推广应用，它可以大大提高网络的建设速度和降低重复建设的成本。
多系统共用信号分布组网就是将多频段、多系统、多运营商的信号，以公共输入输出平台共用信号分布系统的方式多网共融，主要应用于室内分布覆盖系统，实现多频段、多系统的信号共路双向或单向传输，具有体积小、重量轻、插入损耗小、低互调、高功率等优点；其中采用的多网络合路器
收稿日期：2011－07－07
图1Fig．1
组成框图Blockdiagram
四网络多频合路器单元是多频段、多系统室
内分布覆盖系统重要组成部分，由四个网络滤波
作者简介：汪自浒（1964－），男，工程师，主要研究方向：市场营销。
·80·其它Others
第7期
器单元和公共端口组成。滤波器单元的一个端口
另一个通过公共端口和室内分布覆盖系统相连，端口和不同的网络信号相连。每个滤波器单元对
允许通过的网络信号具有低损耗、对不允许通过的网络信号具有高抑制的特点，从而达到滤除其他网络信号滤波器寄生通带引入的干扰信号，提高系统抗干扰性能。1．4设计方案
表1
Tab．1
通道CDMA通道GSM通道DCS通道WCDMA通道
四网络多频合路器单元采用公共腔设计，减
简化了由于多通道合路少了公共端口合路数量，
引起的端口加工及调试复杂性问题。
（1）滤波器HFSS仿真：
依据技术指标分配、外形结构尺寸及功率容量要求，对滤波器进行谐振腔的综合仿真排布（见图2），并确定了通道滤波器的单腔尺寸和滤波器单腔仿真参数（见表1）：
滤波器单腔HFSS仿真参数（L：指谐振频率时调谐螺钉进入腔的长度）
FiltersinglecavityHFSSsimulationparameters
谐振杆Φ10．4×27．5Φ10．4×27．5Φ10．4×18Φ10．4×18
调谐螺钉M4×LM4×LM4×LM4×L
谐振频率850MHz930MHz1800MHz2000MHz
Q值[**************]0
单腔尺寸30×30×3430×30×3430×30×3430×30×34
把归一化后的k值和中心频率与综合仿真参数相比较，不断地改变HFSS模型中的耦合槽宽，当设计的耦合系数和仿真的耦合系数较为接近时（精度为±0．2dB），记录此时的耦合槽宽，并依次计算各个耦合槽的宽度。
（3）经验修正
图2
Fig．2
谐振腔综合仿真排布
在对耦合系数进行仿真时，应考虑到经验数
对耦合值进行适当的修正。经验数据的重要性，
据在对有CQ（或CT）节的地方槽的耦合值做了
减小2dB的修正；对没有CQ（或CT）节的地方槽的耦合值做了减小1．8dB的修正；对端口槽的耦合值做了减小1．5dB的修正。这样的经验修正在实际应用中非常重要。
Resonantcavitysimulationarrangement
（2）滤波器耦合槽仿真：
先用HFSS根据图2实际尺寸建模（见图3），用奇偶模算法，在用本征模仿真求解时得到fe和fm，分别代入方程式（1）和方程式（2）中，计算耦合系数k和中心频率f0
。
2无源互调方案设计
PassiveInterModulation）：多无源互调（PIM，
个载波通过无源器件时产生的互调现象通常称为
无源互调（PIM），在大功率多通道通信系统中的无源互调产物，已成为通信系统中的寄生干扰之一。无源低互调方案设计是个复杂技术问题，它
图3Fig．3
谐振腔模型设计
是近几年才被大家认知和重视的，以前的系统对
但随着通信系统的要求无源互调的要求并不高，
（1）（2）
低互调技术也越来越受重视。越来越高，
2．1无源互调的产生机理
金属接触非线性互调产生的原因主要是连接处的松动和腐蚀，其伏安特性是一条曲线，具体的
Resonantcavitymodeldesign
2
m2m
k=
mf－f=
lf+f
2e2e
f0=em
第7期其它Others·81·
产生机理如下：穿过金属接触处薄氧化层（厚度
）的电子隧道效应和半导体行为；通过金小于50A
属结构中的砂眼和微狭缝的二次电子倍增效应；
与金属表面污垢、金属粒子和碳化有关的非线性；与金属接触处的大电流有关的非线性；不良的装配工艺引起的非线性；由强电流引起的金属接触面相对运动的热循环。
线性和非线性没有严格的界限，金属接触通
但在大功率情况下表现出非常被认为是线性的，
线性效应。当两个或两个以上的信号在具有非线
性特性的无源器件（如滤波器、双工器、隔离器、天线或波导接头以及各种金属接触）中混合时，产生无源互调产物f，见图4
。
图4
Fig．4
无源互调干扰的简化说明图
Simplifieddescriptionofpassiveintermodulationinterference
设非线性器件由两个频率分别为f1和f2的
非调制信号激励：
Vi=A1cos（2πf1t）+A2cos（2πf2t）
（3）
A1和A2是两方程式（3）中Vi是合成信号，
个激励信号的幅度。非线性器件的传输函数可用一个n阶幂级数表示：
V0=C1Vi+C2Vi2+C3Vi3+……CnVin
（4）
般只关注到三阶互调（IM3）要求。2．2无源互调改善措施
非线性效应引起的互调不能完全消除，只能设法尽量改善。主要的改善措施有：
（1）确定关键性压接面：如果关键性压接面压接不紧或者压接不平时会导致互调的产生。提高不同材料的连接工艺，确保连接可靠，尽量做到无缝隙。例如，使用扼流连接或其它电介质连接，提供足够的电流通道，保持所有的机械连接紧固平整。
（2）确定焊接面光滑：如果焊接面不光滑或有毛刺时也会导致互调的产生；
（3）确保内腔或关键压接面未受到污染或氧化：如果滤波器在装配过程中内腔清理不干净也会导致互调的产生，可以采用超声波清洗的方法来解决过程受污染或氧化问题。
（4）在电流通道上尽可能避免使用调谐螺丝
V0是输出信号，C1，C2，C3，方程式（4）中，
……是依赖于非线性器件特性的系数。将方程式（3）代入式方程式（4）并整理，就可得到V0的频谱（见图5），由两个激励信号、许多新产生的谐波信号以及互调信号组成
。
图5Fig．5
无源器件非线性输出频谱Passivenonlinearoutputspectrum
或金属与金属接触的活动部件。如果非用不可，
应将它们放在低电流密度区域。
（5）导电通道上的电流密度应保持低值。例如，导体块接触面要尽量大。（6）保持最小的热循环，减小金属材料因热胀冷缩产生的非线性接触。2．3
无源互调测试方法
测试方法如下图6所示，在连接过程中保证
互调（IM）产物在下列方程（5）所描述的频率处产生：f（IM）=mf1+nf2
（5）
n均为整数，式中m，可为零、正整数和负整
数。（|m|+|n|）定义为互调产物的阶数。值得一提的是，两个以上的信号在非线性器件上相互PIM产物数目增加得很快，作用时，互调产物的幅度一般来说随阶数的增加而下降。实际应用中一
接头间有良好的同轴度并应按照所需力矩旋紧各连接接头。
·82·其它Others
第7期
图6
Fig．6
互调测试系统
Intermodulationtestingsystem
3温漂补偿
温漂补偿（Temperaturedriftcompensation）：
材质谐振杆与谐振腔内部的铝材质台阶配合；在DCS和WCDMA频段上我们使用了6061铝质谐振杆与腔体一体化加工设计，减少了谐振杆的分体温漂，在温度从－40℃～+85℃变化范围内频率漂移可以整体控制在900kHz以内，有效地解决了由于温漂导致的合路器单元综合性能不稳定
确保了指标的设计余量，保证了批量生产的问题，可实现。
当多频合路器单元的金属腔体滤波器随温度变化
其温漂特性频率随温度变化而变化；因滤波器时，
产生频率漂移而对滤波性能影响很大，因此需要对滤波器各个分腔体或部件进行温漂补偿。本文所述多频合路器单元的滤波器频带较窄，而频率又较高，导致滤波器温漂较大，如采用一般的设计方法将无法满足滤波器指标要求。在滤波器设计中充分考虑了温度变化引起的频率漂
CDMA、GSM通道温度漂移小移（根据实践经验，
于500K；DCS、WCDMA通道温度漂移小于
1000K），所以在综合仿真时，通带适当展宽1MHz。在CDMA及GSM频段谐振杆材料的使用上采用了膨胀系数更适合有加载盘面的铜质材料来适应CDMA及GSM频段的高低温特性。为满足滤波器温度范围宽、近带抑制大的性能要求，设计中在高频谐振器的谐振杆材质上采用多样化，Y12铝；10#钢、45#钢；H59铜、H62比如6061铝、
铜等等。由于不同材质的温度系数不同、谐振器及谐振杆的结构形状不同等原因，会导致谐振器的谐振频率在高低温状态下的漂移不尽相同；为满足滤波器指标要求，只在有限的腔体空间内通过滤波器级数或抑制点的增加会因温漂问题而难以实现。因此通过前期的模拟仿真结合后期的不断试验，针对不同的谐振频率采用了不同的谐振杆外形结构及材料进行差异化设计：在CDMA和GSM频段上我们使用了带有加载盘面的H59铜
4结论
本文针对无线通信多网络合路器单元的设
对其中的多频滤波器仿真建模结构进行充分计，优化，首先在温漂效应上采用不同材料、不同结构设计进行补偿，保证了从－40℃～+85℃范围内频率漂移可以控制在900kHz以内，滤波器单元性能稳定可靠；其次在多频合路器单元整体设计过程中充分考虑互调的产生机理和改善措施，使PIM三阶互调达到IM3≤－160dBc（+43dBm×2）的行业先进水平，实现了无源互调信号寄生干扰最小化。参考文献
［1］IEC61000－4－1～6，Electromagneticcompatibilityex-perimentandmeasuringtechniques．
［2］ETSIETS300/019－2－1/2/3，Europeancommunica-tionequipmentenvironmentconditionsandexperimentstandard．
［3］张世全，傅德民，葛德彪．无源互调干扰对通信系统
J］．电波科学学报，2002（2）．抗噪性能的影响［