5G基站射频电缆组件设计研究*

刘旭阳

（河南大学，河南 开封 475000）

0 引言

在移动通信技术持续发展的背景下，射频电缆组件的技术要求不断提高。怎么设计出高度可靠的射频电缆组件，是设计阶段需要考虑的首要问题。随着5G 载波频率的显著提高和接入点吞吐量的大幅增长，传统基站已无法满足人们的需求，使得小型基站成为5G 网络时代的主流。5G 的出现有力推动了小型基站的快速发展，使得建设小型基站成为一项重大挑战。大量的小型基站用于繁忙的城市道路和大型建筑物。同时，小型基站要求更小的射频组件，而5G 基站需要更加紧凑小巧的组件和更高的性能要求。为了实现小型化和低互调干扰，更好地满足5G 网络通信需求，需要积极改进射频电缆组件的结构设计和性能[1]。基于此，本文重点探讨用于小型5G 基站的射频电缆组件，分析射频电缆组件中的电缆、射频转接器的设计优化，以满足5G 需求的小型、低互调干扰的射频电缆组件设计。

1 射频电缆组件基本结构与主要参数

1.1 组件构成

射频电缆组件主要由电缆和转接器构成（如图1 所示），主要用于连接天线、射频模块或者做为内部的连接线，实现高质量的高频低耗传输[2]。设计时需要考虑电缆、射频转接器的选用等因素。

图1 射频同轴电缆基本构成

1.2 射频电缆组件的核心参数

1.2.1 驻波比和回波损耗

射频信号通过电缆收发时，常出现以下3 种情况：

（1）能量从组件输入端传递到设备的另一端；

（2）通过电缆传输能量时，能量散发或泄漏；

（3）能量被反射回信号输入端口。

第一种传输方式是正常的，后两种传输方式是不正常的，需要尽量降低这部分能量损耗。但是，实践中后两种情况必然存在。在设计和应用时，需要将后两种情况的能量损失降至最低。电压的驻波比和回波损耗均用于衡量反射信号的幅度，主要由特性阻抗失配引起。电压的驻波比被定义为反射信号的峰谷比，回波损耗可以通过入射功率与反射功率之比的对数来计算。回波损耗与特性阻抗密切相关[3]。通常在设计电缆和转接器时应注意特性阻抗的匹配，但在实践中需要测试回波损耗。回波损耗是非常重要的性能参数，可用于确定电缆和转接器是否满足要求，还可以通过回波损耗来检测是否存在组装错误。随着网络频谱的不断提高，电缆组件回波损耗性能将受到很大影响，经常需要在高频下运行，对电缆组件的正常运行影响大。如何在高频工作条件下确保电缆组件获得良好的回波损耗性能是一个关键问题，也是本文的主要研究问题。

1.2.2 无源互调

当前带宽数据传输量越来越大，同时传输介质中往往存在多个频率的信号且具有明显的非线性特性。多个频率的信号混杂将产生无源互调信号，如果无源互调信号在基站接收频率范围内，就会降低接收器灵敏度，造成通话质量下降、基站信号覆盖范围缩小以及传输容量变小[4]等问题。5G 网络频谱资源紧缺，为了增加系统容量，共站变得越来越普遍。同时，接收机灵敏度继续提高，使得互调干扰对通信系统的影响越来越大，不仅会影响系统，还会对其他通信造成干扰。因此，如何减少互调干扰成为5G 的重要研究课题。为解决这个问题，目前比较理想的方式是实测互调信号，以确定射频设备互调性能是否满足要求。它的影响因素主要包括非线性材料的存在或不合理的触点结构、电镀层质量、接触表面的质量、组装过程以及测试技术等。

电缆组件必须满足一定的互调干扰性能要求。许多电缆组件位于户外，工作环境比较恶劣，因此测试互调时应模拟实际的应用需求并执行必要的机械运动。IEC 62037-2 国际标准定义了同轴电缆组件的动态互调测试的标准。图2 为测试系统的设置示意图。

图2 互调干扰测试系统的设置

1.2.3 特性阻抗

基于电磁波的传输原理，当信号传输线长度无限时，任何点的电压和电流都可以视为入射波和反射波的叠加，且入射波电压、电流之比等于反射波的电压、电流之比，该比率称为特性阻抗。最常用的射频同轴电缆是特性阻抗为50 Ω 的电缆，特性阻抗的大小取决于电缆的内外导体的直径以及绝缘介质的介电常数。理论上，只要电缆的同轴度保持不变，特性阻抗就不会改变，从而确保信号高效传输。但在实践中没有完全相同阻抗的电缆，由于生产工艺和材料的限制，电缆的特性阻抗始终略有变化而引发信号反射，进而导致信号传输时产生能量损失，同时干扰信号源，使电缆无法正常使用。射频转接器需要和电缆特性阻抗匹配，而两者的连接部位的导体直径突然改变。特别是对于波纹电缆转接器，还存在导体形状不规则变化的问题。如何确保阻抗匹配，是转接器器设计的关键问题之一。如果电缆内外导体直径公差范围一致，则电缆的特性阻抗与其直径成反比，需要合理控制必须公差范围来确保电缆的特性阻抗不变[5]。同时，绝缘介质相对介电常数需要稳定，且对其发泡密度和同心度也有较高的要求。在设计电缆转接器时，小型化已成为必然趋势。同样，小型化对转接器的尺寸公差范围提出了更严格的要求，否则将导致阻抗失配，影响电缆组件的电气性能。

1.2.4 衰减特性

射频信号通过电缆传输的过程中，一些能量会转换为热量并被传输介质吸收，导致电缆变热造成能量损耗，这是电缆的衰减损耗。衰减与电缆的长度、频率成正比，同时较小尺寸的电缆的衰减更大。因此，电缆小型化会导致衰减增加，是负面影响。但是，小型基站的高度大多低于10 m，可以抵消电缆小型化带来的衰减增加。因此，对于5G 网络来说，衰减并非主要问题[6]。选择小型电缆时，主要按照长度、频率计算衰减特性是否满足要求。因为转接器的长度比电缆短很多，所以转接器衰减仅有0.05 dB左右。因此，衰减是电缆的重要参数，但是在设计转接器时不是重点考虑的因素。

2 同轴电缆的结构和选用

射频同轴电缆是由两个绝缘的中心同轴导体和外部导体形成的电流回路，主要由内部导体、外部导体、绝缘介质和护套构成。应用比较广泛的射频同轴电缆包括波纹管同轴电缆、光滑壁同轴电缆、双绞同轴电缆和特殊泄漏同轴电缆。其中，内部导体主要有绞合芯导体、实芯铜导体等，采用无氧铜结构增加抗拉强度，减少重量。实芯铜导体外表面平整光滑，损耗更小，信号反射更少，比绞合芯线导体柔韧性好但损耗较大。大型电缆常用铜包铝或其他材料作为内部导体。由于射频信号在内外部导体之间的绝缘介质中传输，因此内部导体的表面状况对信号传输的影响很大。如果表面不光滑，信号反射将大大增加，导致回波损耗增加，造成信号衰减严重。因此，内部导体表面必须平整光滑，导线直径必须均匀。

绝缘介质主要是用来防止径向泄漏电流，同时支撑内外导体，确保结构稳定。绝缘介质层的材料的介电常数要足够小且稳定，目的是最大限度地降低损耗。同时，绝缘介质层的材料机械强度要满足要求，确保内外导体同心度和特性阻抗值稳定。实践中应用较多的绝缘介质材料包括聚聚全氟乙烯丙烯（FEP）、聚乙烯（PE）、聚醚醚酮（PEEK）或二氧化硅（SiO2）以及四氟乙烯（PTFE）等。为降低损耗，可以采用拉伸、发泡等方式降低材料密度，从而得到更低的介电常数。实践中也会用到空气绝缘介质。使用空气绝缘介质的电缆往往用于对信号衰减、通信功率要求严格的场景，如广播电视使用的馈线。

除了传输射频信号外，外部导体还起到重要的屏蔽作用，主要结构形式是金属波纹管、镀锡铜线等。其中，金属波纹管在基站中使用最多。

电缆防护套也具有许多结构形状，主要起保护作用，不但对严苛工况中的电缆起到保护作用，还能提高电缆屏蔽层结构的稳定性，从而保证电缆的电气性能。防护套的常见材料包括聚氯乙烯（PVC）、聚乙烯（PE）等，作用是保护电缆内部结构，增强电缆的耐磨性和耐腐蚀性。

外导体为波纹管的同轴电缆具有低波率、低衰减以及结构稳定等优点，因此优先选用。电缆结构比较简单，不需要复杂的结构设计，可以从现有产品中选择，主要是对电缆的性能进行优化设计。小型基站基本构成如图3 所示。

图3 小型基站的基本结构

由图3 可知，小型基站的天线的集成度很高，电缆的可用连接空间很小，且多数小安装在密封管中或配合路灯柱使用。因此，常规的1/2″电缆不适用于小型基站，使用较多的是波纹管同轴电缆。例如，6 端口的天线使用1/4″电缆比使用与1/2″电缆节省40%空间。连接的天线端口越多，节省的空间越多，因此5G 小基站可以选用1/4″波纹管电缆。

3 低互调转接器设计与仿真分析

3.1 低互调转接器设计

设计转接器时需要尽量降低互调干扰：互调性能优于7/16DIN，且最好可以进行动态互调测试；小型化，即尺寸接近N 型转接器；回波损耗性能良好原则，并结合根据实际需求进行设计优化。

在明确需求的情况下，设计转接器的基本思路如下：

（1）采用最简洁有效的结构，不但能够有效减少不连续点，也有助于提升电气性能和机械可靠性；

（2）力求阻抗、标称特性阻抗匹配，实现阻抗均匀分布，最大限度地减少信号反射；

（3）对无法消除的不连续点采取共面补偿措施，最大限度地减少集中信号反射，即基于不连续点的电特性（电容或电感）在附近引入电感或电容区域，使不连续点附近“平均阻抗”接近标称特性阻抗。

可以改进结构设计，以实现低互调要求。弹性触点必须由良好的弹性材料制成，如铍铜合金或锡磷青铜，并经过热处理确保机械耐力测试后拥有稳定的接触压力和低接触电阻。转接器内外导体结构集成度越高越好，尽量减少结点数量，采用银涂层，以有效减少无源互调和接触电阻，但银本身易氧化，表面变色，会影响互调性能。三元合金镀锌层的接触电阻和互调比较接近银涂层，而耐磨性比银涂层更好，因此可以选用三元合金镀锌层。此外，需要注意接触表面清洁平整无异物，不得有毛刺、刨花、压碎、凹陷或裂纹等，以免增加互调干扰。新型转接器截面如图4 所示。

图4 新型转接器截面结构

新转接器结构宽频设计能够确保转接器兼容同轴电缆组件，满足扩频需求。本次设计的转接器内外导体采用一体化设计，大大减少了不连续点数量。内外导体与电缆之间的连接处均经过焊接，结构稳定性好。内部导体由镀银铍铜材料制成。经过精密的机械加工、热处理和机械耐久性测试，该弹性接触片可以保持稳定可靠的接触压力和低接触电阻。外导体由涂有黄铜的三元合金材料组成。在保证电气性能的基础上，它可以满足恶劣工况下的测试要求，并保持良好的工作性能。

3.2 转接器仿真分析

通过仿真软件对结构进行仿真优化，仿真结果显示回波损耗（ReturnLoss，RL）基本都在-30 dB以下。因为转接器的实际安装误差、加工精度等因素的影响，转接器结构仿真结果和实际结果有一定的误差，还要实际加工样本并进行实测才能验证仿真结论。实测结果如图5 所示，设计的低互调连接器结构回波损耗性能良好。将转接器与1/4″电缆组装起来，对射频同轴电缆组件原型进行实际测试，结果显示组件的回波损耗性能良好，如图6 所示。此外，对电缆组件互调干扰进行实际测试，测试结果显示组件的互调性能良好，如图7 所示。

图5 转接器回波损耗测试

图6 电缆组件转接器回波损耗测试

图7 电缆组件互调干扰测试

4 结语

综上所述，基于小型5G 基站性能要求，明确同轴电缆组件设计要求为宽频带、低互调和小型化。基于低互调、低回波损耗的设计原理，对转接器、电缆之间的连接结构进行优化。测试表明，在0～6 GHz 全频段回波损耗性能良好，互调干扰（Intermodulation Distortion，IMD）测试结果远超指标要求，完全满足小型5G 基站的要求。