移动通信（3G）的发展与射频同轴电缆...

三代移动通信 —— 通常称为3G（3rd Generation），一直是中国电信界的热门话题。在中国，怎样发展3G众说纷纭。首先让我们来回顾一下我国移动通信的发展历史。我国是在上个世纪八十年代末开始引入蜂窝移动通信系统的，即第一代移动通信系统，选择了900MHz TACS标准。由于采用模拟技术，所以称‘模拟蜂窝移动通信系统’。从蜂窝移动系统引入，就开始高速发展。九十年代初，中国移动、中国联通先后选择了GSM，从此，中国移动通信进入了大发展时期。世纪之交中国联通又建立了CDMA网络，中国出现了两种国际标准。这就是第二代移动通信——数字式移动通信系统，它采用了数字技术。分为两种类型：目前应用最广泛的GSM-全球移动通信系统和后来发展起来的 CDMA-码分多址技术。第二代移动系统除了提供话音通信外还可提供短信和低速数据业务。数字移动通信具有模拟移动通信无可比拟的优点：保密、音质清晰、频率资源利用率高、功能强大等。GSM和CDMA虽然成了第二代移动通信的主流，但毕竟在应用国家和频段使用上有很多差异，难以做到理想的国际漫游。比如，GSM无法在日本和韩国使用，CDMA则无法在欧洲使用。

　　第三代移动通信是国际电信联盟（ITU）倡导，努力在频段和标准上统一的一个系统。与第二代移动通信相比，无论是在频段或标准的统一上，还是技术上又大大迈进了一步。第三代移动通信系比第二代移动通信提供更大的系统容量(是第二代的2-5倍)。其目标是：全球统一频段、统一制式，全球无缝漫游；高速移动环境下支持144kb/s，步行慢速移动环境下支持384kb/s，室内环境下支持2Mb/s的数据传输,从而为用户提供包括话音、数据及多媒体等在内的多种业务。1992年世界无线电大会（WRC－92）为第三代移动通信规划了230MHz（1885MHz～2025MHz，2110MHz～2200MHz）的频段，即后来被称为的核心频段，为标准的统一奠定了一定的基础。2002年10月，中国信息产业部公布了第三代公众移动通信系统的工作频段：

　　主要工作频段：
　　频分双工(FDD)方式：1920-1980MHz/2110-2170MHz；
　　时分双工(TDD)方式：1880-1920MHz、2010-2025MHz。
　　补充工作频段：
　　频分双工(FDD)方式：1755-1785MHz/1850-1880MHz；
　　时分双工(TDD)方式：2300-2400MHz。

　　2000年5月ITU确定WCDMA、CDMA2000 和 TD-SCDMA三大主流无线接口标准，并写入3G技术指导性文件——IMT-2000。WCDMA的支持者主要是以GSM系统为主的欧洲厂商，包括欧美的爱立信、阿尔卡特、诺基亚、朗讯、北电等厂商。这套系统能够基于现有的GSM网络上，可以较轻易地过渡到3G，因此W-CDMA具有先天的市场优势。CDMA2000由美国高通公司为主导提出，摩托罗拉、朗讯和韩国三星参与。这套系统是从CDMA标准衍生出来的，可以从原有的CDMA结构直接升级到3G，建设成本低廉。但目前使用CDMA的地区只有日、韩和北美，所以CDMA2000的支持者不如WCDMA多。TD-SCDMA是中国独自制订的3G标准，拥有自主知识产权，这是中国移动通信界的一次创举，也是中国对第三代移动通信发展的贡献。TD-SCDMA在频谱利用率、业务支持、频率灵活性及成本等方面具有独特优势。另外，由于国内庞大的市场，该标准受到各大主要电信设备厂商的重视，全球大部分的设备厂商都宣布可以支持TD-SCDMA标准。最近结束的测试验证了TD-SCDMA系统的实力，TD-SCDMA完全满足大规模独立组网要求，不仅如此，TD-SCDMA有更宽的频段支持，频谱利用率相对另外两种3G标准来说更高。在一定程度上来说，TD-SCDMA的发展前景可能比另外两种制式更广，其发展动力可能相对来说更强。TD-SCDMA将打破WCDMA和CDMA2000核心技术被垄断的局面。

　　据资料显示：3G投入运营的前两年为市场导入期。在这一阶段，2G用户及系统继续发展，但速度放缓，3G系统开始引入并逐步完善。随着3G网络的建成，移动运营市场竞争格局开始形成。用户数量将逐渐扩大，预计到2010年时候将会达到1.85亿用户左右，市场潜力巨大。

　　2.移动通信对射频电缆需求

　　目前，移动通信已成为发展最迅速的领域。中国已超过美国成为拥有手机最多的国家。到2005年6月，我国移动用户超过3.6亿户，移动电话用户超过固定电话用户。我国移动电话的人均占有率已达28% 。未来4～6年的时间内，我国移动电话用户将超过6亿户，这说明我国空缺较多，具有很大的市场空间。另外一方面，随着我国即将发放第三代移动通信（3G）牌照，超过数仟亿元RMB的投资，在未来几年内将注入第三代移动通信建设。综上所述，我国移动通信事业将出现一个突飞猛进的发展的时期。移动通信系统中的宏蜂窝基站、微蜂窝基站、直放站、室内覆盖系统等势必将得到迅速发展。而作为通信发射设备与发射天线之间的连接的馈线、跳线、附件以及其它为移动通信系统配套的各种射频电缆的需求量也相应地急剧增加。据资料显示，现在我国每年要新增基站几万个，年需求射频同轴电缆已达五万公里以上。今后几年每年射频同轴电缆的需求量将超过六万公里。可见，移动通信的高速发展将带来各钟基站的增加，最终带来射频同轴电缆需求的增加，这为移动通信用射频同轴电缆提供了更为广阔的市场前景。

　　下面是未来几年移动通信用户发展及射频同轴电缆的需求量预测。

　　3.物理发泡聚乙烯绝缘皱纹铜管外导体射频同轴电缆

　　物理发泡聚乙烯绝缘的同轴电缆较之早期的化学发泡绝缘电缆和纵孔绝缘电缆有很多优点。物理发泡聚乙烯绝缘层的气孔的生成采用注入非极性的氮气的方法，气泡始终保持微小、均匀、互相封闭，电缆的电容均匀一致，又无腐蚀、极少残留物，并且防水、防潮，因此大大提高了电缆的电气性能。它的发泡度高，相对介电常数很低，所做成的射频同轴电缆的尺寸可以保持较小的水平，有利于降低成本和施工。射频同轴电缆采用皱纹铜管外导体，具有低电压驻波比、高功率容量和屏蔽性能、密封性及弯曲性能良好等特点。物理发泡聚乙烯绝缘皱纹铜管外导体射频同轴电缆（简称射频同轴电缆）的工作频率范围一般在100MHz～3000MHz之间。它主要用在移动通信、蜂窝电话、微波传输、广播通信等无线系统的有线传输部分，作为基站的发射和接收机与天线的连接或者无线通信设备之间的连接。

　　射频同轴电缆由内导体、物理发泡聚乙烯组合绝缘层、皱纹铜管外导体和护套组成。其结构示意图如图所示。组合绝缘层可采用皮—泡—皮的最佳形式。内皮用线性低密度聚乙烯和少量粘接剂混合而成，实心，介电常数约2.3—2.4左右，其作用是增加绝缘层与内导体的粘附力，提高绝缘层的气密性、防潮性。内皮层要尽量薄，以减少它对发泡层介电常数的不良影响。中间的物理发泡层用高密度聚乙烯、低密度聚乙烯和少量成核剂混合而成，注入高压氮气。其发泡度一般在75%——80%之间，介电常数只有1.2—1.3 。外皮层为实心绝缘层，用高密度聚乙烯，厚度小于0.1mm，作用是增加绝缘层的强度，还可以提高防潮性能。在物理发泡绝缘工序，首先聚合物通过加温熔融和混合，获得均匀的聚合物熔体，注入高压氮气，聚合物与氮气混合成核，泡孔形成。接下来混合物通过十字机头挤出，压力释放，导致泡孔生长，再通过水槽冷却，泡孔稳定化及绝缘结构的凝结。其泡孔结构的一致性，绝缘缆芯的直径、电容、偏心度的稳定性以及内导体质量等因数直接关系到电缆产品的质量。

　　射频同轴电缆的外导体由铜带切边、成型，形成管状，再经氩弧焊焊管、定径，形成所要求直径的铜管。物理发泡绝缘缆芯穿入外导体铜管内，铜管外导体通过轧纹机轧纹。轧纹转速与生产线速度应配合协调，以便使外导体形成设计要求的波峰、波谷和节距。外导体工序焊接和轧纹质量的稳定性关系到电缆产品的电气性能及弯曲性能。

　　主要参数计算方法：
　　特性阻抗: Z0

　　式中εr：同轴电缆的绝缘发泡层（皮/泡/皮）的等效介电常数
　　　　D：同轴电缆绝缘发泡层外径
　　　　d1：同轴电缆内导体直径
　　　　泡沫绝缘的等效介电常数εr和介质损耗tgδr分别为

　　
　　式中ε：被发泡绝缘介质的介电常数；
　　　　P：发泡度，它表示泡沫介质中所有小气泡体积与总体积之比，
　　　　P＝1－d泡沫/d材料；
　　　　d泡沫：泡沫介质的密度；
　　　　d材料：被发泡的绝缘材料的密度；
　　　　tgδ：被发泡绝缘介质的介质损耗值。

　　衰减α的计算：
　　衰减包括导体衰减αr和介质衰减αg，当环境温度为20℃，导体为铜导体时，衰减可表示为：

　　
　　式中 Z0：特性阻抗
　　　　f：频率
　　　　εr：相对介电常数
　　　　D：外导体内直径
　　　　d：内导体外直径
　　　　Tanδ：介质损耗角正切值
　　随着环境温度升高，衰减值以0.18%/℃上升。

　　反射系数Γ：
　　电压反射系数Γ是在某一频率下，电缆内部及其终端阻抗不均匀的影响总和。是电缆始端反射波电平与入射波电平的比值。通常采用回波损耗(LR)和电压驻波比(VSWR)来表征反射系数。

　　
　　4.3G对射频电缆产品的质量提出了更高的要求

　　根据目前移动通信的情况和将来3G的发展，主要涉及以下通信系统：

　　CDMA800MHz、GSM900/1800MHz、PHS1900MHz，WCDMA、TD-SCDMA和CDMA2000核心频段等制式。

　　射频同轴电缆主要工作在这些频段。

　　
　　其中，2000 MHz左右的频段为第三代移动通信使用的频段。中华人民共和国通信行业标准YD/T1092-2004 《无线通信用50Ω泡沫聚乙烯绝缘皱纹铜管外导体射频同轴电缆》考虑到射频电缆为适应3G的发展，特别提出对3G相应工作频段的要求。3G的工作频段很高，其通信网络的质量要求也更高，对使用的射频电缆的性能要求，如高频下的衰减，电压驻波比、三阶交调、机械物理性能等都会有相应的提高。这样就要求我们提供性能更好、结构更优的射频电缆，并且要使用优质的连接器及可靠的连接方法，以适应3G网络建设的要求。这也是今后射频同轴电缆产品发展的一个亮点。

　　射频同轴电缆的使用频率范围受限于它的衰减和驻波值的大小。电缆的衰减随频率增加而迅速增加，驻波影响(即不均匀性影响)也随频率增加而明显增大，致使电缆上损耗的能量过多，而失去其传输能量的作用。在高频率下，电缆的衰减值还随电缆所承受的弯曲、机械应力和老化等情况而变化，呈现不稳定性。另外，当电缆传输的电磁波波长和电缆的横向结构尺寸可相比拟时，会出现有高次谐波，使衰减急剧上升，并影响沿电缆传输的基波，从而使电缆的使用频率范围受到限制。出现高次谐波的频率和波长称为截止频率和极限波长，它是沿电缆传输频率的上限。同轴射频电缆的截止频率为：
　　

　　式中C：光速
　　　　D、d：外导体内径和内导体外径
　　　　εr：电缆绝缘的等效介电常数

　　电缆的使用频率范围取决于通信系统对衰减和驻波值的要求。通过结构设计和工艺加工的改善，可以生产出有较低衰减和驻波的射频同轴电缆，使电缆的使用频率范围得以展宽和提高。为降低衰减，可选用优质铜材的内、外导体，例如无氧铜材料来降低导体衰减。在降低介质衰减方面，应选用介电常数和介质损耗正切较小的绝缘发泡材料；适当提高高密高密度聚乙烯材料的比例；提高发泡度，利用二氧化碳作为发泡气体，可以使绝缘缆芯的发泡度达到80%以上。要生产出驻波值更小的射频同轴电缆，则必须使用一致性好、高品质的内外导体材料；对发泡绝缘缆芯直径、电容的稳定性提出了更高要求；对于焊接轧纹来说，则要求外导体波峰、波谷、节距更加稳定、精确。直径、电容和偏心度符合设计要求并且稳定、均匀的高质量的绝缘缆芯是低驻波射频同轴电缆的必要条件。在先进的焊接轧纹生产线上配置高精度在线几何尺寸图像仪，实时监测外导体的节距、波峰、波谷尺寸，可以确保电压驻波比性能优良。

　　焊接轧纹线配置高精度在线几何尺寸图像仪
　　

　　电压驻波比测试曲线
　　
　　另外，在高频条件下，射频同轴电缆与连接头的配合问题显得尤为重要，一方面，在高频下连接头的微小变化都可能使被测电缆的电压驻波比值产生显著的改变，这是因为在高频下接头中的反射增大的原故。此时连接头部分的电压驻波比可能对电缆电压驻波比测试的影响起着支配作用。另一方面，连接器、射频电缆质量以及它们的配合不良，也就是连接器、射频电缆的非线性和它们之间接触的非线性还会产生三阶交调，对通信系统造成不良影响。这是射频同轴电缆在第三代移动通信中更加要注意的问题。

　　上图是在目前先进的物理发泡绝缘和焊接轧纹设备上，使用优质原材料，配以优化的工艺生产出的射频同轴电缆，在5 ～ 3000 MHz的频率范围内，其电压驻波比的最大值仅为1.04 。另外，衰减值已经做到同类产品中很小的水平。其技术指标完全能满足第三代移动通信的要求。

　　第三代移动通信网络要求我们提供更多质量更高的射频同轴电缆。

　　参考文献
　　【1】曹淑敏《第三代移动通信的概念及发展演进》人民邮电 2003.11.4
　　【2】李恩铭《无线通信用物理发泡聚乙烯绝缘皱纹铜管外导体射频同轴电缆的开发与生产》现代有线传输2002.4

作者简介

　　作者李恩铭系北京邮电学院（现北京邮电大学）恢复高考后的第一批大学生，计算机与通信专业毕业。曾在邮电部第五研究所、邮电部机线产品质量监督检验中心工作。曾任大唐电信光通信分公司射频同轴电缆车间主任，高级工程师。现为中天日立射频电缆有限公司总工程师。曾多次获得邮电部、邮电科学研究院的科技进步奖项。负责编写完成了YD/T 1119-2001《通信电缆——基站用物理发泡聚乙烯绝缘超柔射频同轴电缆》通信行业标准。主要代表作有：《单片机在长途通信电缆气压遥测系统中的应用》、《计算机在通信电缆线路监测中的应用》、《新型二线制长途通信电缆气压遥测系统》、《市内通信电缆自动测试系统》、《无线通信用物理发泡聚乙烯绝缘皱纹铜管外导体射频同轴电缆的开发与生产》等。