[原创]GSM基站天线合路技术介绍

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GSM基站天线合路技术简介
关键词：合路器 分路器 插入损耗 射频跳频
[摘要] 本文简要介绍移动通信基站天线合路技术，以及采用射频跳频技术、天线合路技术出现的相应变化。
1、
前言

近年来移动通信发展迅速，通信制式从第一代模拟制式（FDMA频分多址）到第二代数字制式（TDMA、CDMA码分多址）。为了增加单位面积内信息容量，移动通信的基站部分一般是多台收发信机共址集成安装，而每台收发信机的均有一个发射端口，二个接收端口（一个主接收，一个分集接收），三个端口均需要连接到天线，收发设备才能正常工作。假如一个基站小区有6个载频模块（TRX），每台收发信机均要配置3根天线，那么该站需安装18（6X3=18）根天线，在一个平台上安装如此多的天线显然不现实（天线之间要隔离度，安装位置及馈线走线空间受限），为了解决这一问题，人们开发了合路器Combiner（发射机输出合路）和分路器Multicoupler（接收机输入共用）及双工器Duplex（接收机和发射机共用天线）等产品，解决多台收发信机共用天线的问题。引入合路器和分路器的负面影响是增加了插入损耗，即发信机输出功率不能全部送入天馈线，接收天馈线收到的信号经过分路器衰减使得接收机信号输入电平过低，需增加前置低噪声放大器来补偿。
2、
接收分路器

移动通信系统从第一代发展到到第二代，接收分路器的变化不大，接收机分路器就是将天线接收到的信号分配给小区内所有的载频模块收信端口，接收分路器均含有源宽带放大器（整个频段放大，自动增益控制），以补偿馈线及接收分路器所带来的损耗。一般有1分2、4、8、10、16、20、32路等几种型号。当载频配置没有满配，空余端口连接50欧负载。
3、
模拟制式使用的发射合路器

第一代移动通信系统，采用频分多址方式，一个载频只有一个信道，模拟基站20载频一个扇区，只要一根发射天线即可，2根天线/每扇区可以合路40个载频。一般模拟发信机的输出功率较大（50W）。一般每个扇区需三根天线（1发射/2接收）或二根天线（1收发/1接收，加装双工器）。初期的合路器是人工机械调谐（基站每次改频需重新调整合路器）。后来出现自动调谐合路器（用步进马达控制）。模拟制式均采用的谐振腔体合路器（高Q值），插入损耗较小。基站常用腔体合路器有4合1、5合1两种基本类型，可以组合成8合1、16合1、10合1、20合1。不同端口发射合路器的损耗值如下表：


从表中可以看到腔体合路器的插入损耗与需要合路的发射输入端口的多少变化不是太大，基本上保持在3.3dB左右。每个小区可使用3根天线和2根天线二种安装方法。2根天线/每小区的好处是减少了1根天线和1条馈线，降低了设备成本及对安装环境的要求。但缺点是增加了1dB插入损耗。双工器的插入损耗约1dB。
3根天线/1小区连接示意图：发射合路器总损耗3.5dB（不含馈线损耗）








2根天线/1小区连接示意图：发射合路器总损耗4.5dB（不含馈线损耗）









4、
GSM制式使用的发射合路器

在GSM制式TDMA多址中，由于每个载频有8个信道，这样每个小区的收发信机的配置比模拟制式下要小，一般单网单站配12/12/12个载频属于很大的基站了。数字收发信机的输出功率设计比模拟收发信机小一些，常用的型号基本以20W为主，这样可以减少设备造价及减少基站的耗电量。GSM基站天线安装均是以2根/每小区为主。未开启射频跳频的基站以自动调谐腔体式合路器为主。基本型号有6合1（插入损耗3.3dB），一个小区2根天线最大配置是12个载频。
6载频基站小区天线连线示意图：









12载频基站小区天线连线示意图：










注：当基站的配置为12载频，12载频使用同一根发射天线输出，增加2合1和路器，基站输出功率将下降3dB，因此一般采用2根天线发射的结构。

但是由于GSM基站引入了射频跳频技术，腔体合路器的调谐速度不能适应跳频速度，为此开发了宽带合路器（微带技术，双工器也集成在其中），宽带合路器的优点是不需调谐，但插入损耗比腔体合路器要大很多。2合1的宽带合路器损耗是3.5dB（含双工器达到4.5 dB）。4合1宽带合路器损耗是6.5~7.2 dB（含双工器达到8 dB）。因此在射频跳频网络基站小区中，二根天线的小区只能安装4个载频，假设超过4载频必须增加天线，才能保证射频跳频小区的天线输出功率与非跳频或基带跳频小区的输出功率相当，否则输入到天线端口的功率会减少一半以上。
4载频射频跳频基站小区天线连接示意图（2根天线）：









6载频射频跳频基站天线连接示意图（3根天线）：








注：C-Combiner表示腔体合路器，H-Combiner表示宽带（微带）合路器，在以上配置中，如合路器的端口大于基站载频配置，空余端口用50欧负载端接。
5、
多系统合路技术

随着国内运营商增加，引入了不同制式及不同频段系统，在建设室内分布系统时，如多种系统分别建设各自的室内分布系统，即增建了建设成本又增加了施工难度。因此多种制式、多种频段的通信系统共用同一套天馈系统是一种省时省力省钱的选择。目前有二种方式，一种收发合路的单缆系统，另一种是收发分开的双缆系统。单缆和分缆系统的本质区别是，最后收发信号是否在同一个通道里传输，单缆系统采用收发在同一通道里传输，需增加一个多频双工器，优点是成本低（比双缆少一套天馈系统），缺点收发隔离度及互调抑制不容易控制，在目前需要合路系统较多的情况下已较少采用。双缆系统收发分别在不同的通道里传输，优点是收发隔离度及互调较易控制，缺点增加了成本（两套天馈系统），目前双缆系统使用较多。

根据各种不同的场合所需要合路的系统不同，合路器的型号及指标略有差异。通常将这种器件叫做POI，即多系统合成器（里面的器件是腔体滤波器和微带滤波器），根据各系统的使用频段用滤波器进行隔离，使得不同系统之间相互没有影响（隔离），最后可以通过同一个通道进行传输。多系统合路须考虑POI的承受功率，避免POI过载而损坏，还要保证系统之间的隔离度满足要求。

下面画一个简单示意图，假设有一个WCDMA系统、二个GSM系统、二个DCS1800系统、一个CDMA2000、一个TETRA集群系统，各系统进入POI后的插入损耗约5.5dB。

发射合路

接收分路

进入分布系统

WCDMA

GSM1

DCS1

CDMA2000

DCS2

GSM2

TETRA

WCDMA

GSM1

DCS1

CDMA2000

DCS2

GSM2

TETRA

6、
结束语

在GSM网络建设初期，就应该考虑是否采用射频跳频技术，这关系到基站设备厂家的合路器选择。如初期采用腔体合路器，将来开启射频跳频功能需更换合路器，造成设备、人力浪费。一般可用频点较少的运营商，基站载频配置较低，适用于开启频跳频功能以减少网络内干扰。对于配置低于4载频/每小区的非射频跳频基站，也可以使用宽带合路器，但对于配置较大的非射频跳频基站，采用宽带合路器并不合适。