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无线基础设施中的射频连接器市场将随着5G部署进入繁荣期
材料来源:《微波杂志》2020年3/4月号           录入时间:2020/4/7 18:00:19

Wireless Infrastructure RF Connector Market to Thrive as 5G Deploys

Earl Lum,EJL Wireless Research LLC

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尽管大规模MIMO(mMIMO)天线系统有望消除射频跳线电缆以及这些电缆上、射频拉远单元(RRU)上和基站天线上的射频连接器,然而实际上射频同轴连接器市场依旧存在并且活跃。

回顾历史,基础设施市场上的同轴连接器已经从N型开始,历经了7/16 DIN、4.3/10 DIN(又称4.3-10)、NEX10、2.2/5(又称2.2-5)的过渡。基站天线面板物理尺寸上的限制过去一直是人们开发更小射频同轴连接器的主驱动力。图1是一个使用4.3/10 DIN连接器的16端口基站天线面板的照片。当前这一代的天线可能需要多达30个或更多射频连接器端口,虽然使用当前的4.3/10 DIN连接器理论上是可以的,但现实中不是切实可行的选择。该例子中16个端口的情形已经接近基站天线标准宽度可容纳的最大射频连接器端口密度了。

 

连接器越小越好吗?

Telegartner提出的新方案,即1.5/3.5(或1.5-3.5)连接器,直接超越了当前最小的2.2/5和NEX10缩小版,比当前的4.3/10 DIN连接器小了75%(图2)。这是Telegartner公司的Cell IQ系列产品中的最新款连接器。连接器的横截面相当于法兰盘安装的12.7 mm方形SMA连接器。这些连接器适用于小基站,支持最大1/4英寸的波纹管同轴电缆。尽管采用更小连接器是更好的选择,并且一些设备制造商确实正在迁移到NEX10或2.2/5连接器,但实际上室外小型基站目前最多支持四通道发射和四通道接收(4T4R)配置,因此即使采用4.3/10 DIN连接器也不会有空间受限的问题。

射频电缆的损耗对于室外应用场景来说仍然至关重要,通常来说最好使用1/2英寸直径的跳线电缆,最小也不要小于3/8英寸。而室内用的小基站通常采用集成天线,使用的是SMT(表面贴装)天线组件而非法兰安装天线端口。因此,小基站应该不需要1.5/3.5连接器。此外,如果为宏基站制作1.5/3.5规格的四端口集束连接器,则需要使用1/4英寸直径的同轴电缆,而这样小线径的电缆导致的射频损耗在实际中无法接受,因此不是可行的方案。或许1.5/3.5规格连接器的市场可能会是前面板空间有限的测试和测量设备,或者是用于支持测试设备的mMIMO开关矩阵。

 

单连接器与四(或五)合一集束连接器

如前所述,标准宽度的天线面板通常可以支持多达16个射频单端口,如果减小为AISG电遥控倾斜接口预留的面积,则可能最多增加到支持18或20个端口。要想超过这个端口密度来支持无源天线不断增长的端口数,那么采用集束连接器解决方案将是唯一可行的方法。

随着5G mMIMO解决方案的出现,为什么无源天线的端口数还会继续增加呢?答案是4G服务还将继续存在很多年。通常在美国市场上有五个频段(600、700、800、1900和2100 MHz),在欧洲和世界其他地区则有七个频段(700、800、900、1500、1800、2100和2700MHz),每个频段都需要一个单独的RRU。随着MIMO阶数的增加,每个频带中RRU的端口数一直在增加,从而导致当前全球大多数中频带(1800至2700 MHz)RRU采用了4发4收的配置。因此支持4×4 MIMO RRU的满配置七频段无源天线阵列需要28个天线端口。

5G的到来迫使移动运营商将所有传统2G/3G/4G服务整合到单个天线上,从而为宏基站中每个扇区新增的5G NR天线腾出空间。在许多国家和地区,除了用于LTE服务的FDD频段外,还同时提供TDD频段。许多移动运营商选择部署多模式FDD/TDD服务,这就需要支持所有频带的FDD/TDD天线。典型的TDD配置支持8发8收的RRU,因此需要9个RF端口。

采用包含4端口和5端口的集束连接器,只用两个就可以支持所有的9个端口。图3所示的FDD/TDD天线例子在天线面板的边沿安置有10个单端口连接器,在中央区域则有四个多端口集束连接器。每对多端口集束连接器都是4端口+5端口的组合,各自可支持1个8发8收的RRU,因此共有26个射频端口和两个用于TDD频段的校准端口。

尽管NEX10和2.2-5规格的连接器可用作单端口连接器,但它们更好的用途是作为多端口集束连接器使用。下一代移动网络(NGMN)联盟最近推荐使用华为技术公司的MQ4/MQ5集束连接器来支持TDD 8发8收5G RRU和天线。这是提交给NGMN联盟的四个连接器:

      2.2-5

•      MLOC (康普公司)

•      MQ4/MQ5

•      NEX10

在经过华为的积极游说之后,最终MQ4/MQ5被选为解决方案(图4)。罗森伯格公司的NEX10-4集束连接器如图5所示,图6中则展示了康普公司的与NEX10兼容的MLOC-4集束连接器。与其他集束连接器不同的是,康普MLOC集束解决方案与特定的连接器设计无关,它可以与2.2-5、NEX10或MQ4/MQ5连接器一起使用。MLOC解决方案的独特之处在于,它无需在安装现场使用扭矩扳手,从而避免了用手拧紧射频连接器带来的问题。

当前的NGMN联盟建议中尚未解决的一个问题是:它仅包含了TDD模式,而不涉及FDD模式。鉴于频带数量以及8x8 MIMO FDD的持续增加,用于FDD系统的4端口集束连接器正在迅速普及。

 

5G NR需求驱动无源天线端口和连接器

5G应用中为每个扇区提供1+1的天线配置,其中一个位置用来安装支持FDD和FDD+TDD模式的高端口数(>20)无源天线,而另一个位置将安装m-MIMO天线射频系统(MM-ARS),这个系统通常为32发32收或64发64收配置(图7)。

5G MM-ARS设备并不便宜,而且非常耗电。考虑到资金和运营支出,移动运营商部署5G的最便宜方法是使用1+1配置,使用传统的无源天线(8发8收)和RRU代替MM-ARS(图8)。第二个天线仅支持5G频段(通常为2.5GHz的频段41和3.5GHz的频段42)。欧洲和亚洲当前部署的系统,不管是在密集的城市还是在农村地区都使用了5G无源天线,在这些地区的移动业务不需要MM-ARS解决方案。单频段5G NR无源天线通常使用单端口连接器,总共用九个:八个为射频端口、一个为校准端口。此配置还需要九根跳线电缆。天线连接器、跳线电缆和RRU可以使用N型,但更可能使用4.3-10 DIN连接器,而是否使用后者取决于设备制造商。5G NR 8发8收无源天线在每个扇区总共需要36个射频连接器以支持RRU、天线和跳线电缆,此外还需要大量用于传统天线配置的射频连接器。

 

市场走向

自2008年以来,EJL Wireless Research公司一直在记录基站天线的出货量和端口数。我们相信我们拥有全球范围内最庞大的基站天线出货量数据库。在此基础上我们提取了每年射频天线端口的总出货量来绘制过去10年的出货量图表(图9)。2015年和2016年的下降主要反映了中国4G网络建设的完成。2017年和2018年的反弹表明了4×4 MIMO FDD LTE和双模FDD/TDD天线的出现。

尽管2018年4.3/10 DIN连接器的出货量增长了近三倍,但传统7/16 DIN连接器也增长了10%。尽管所有新天线设计都使用4.3/10 DIN连接器,但原有的天线仍使用7/16 DIN连接器;天线制造商并未在有4.3/10 DIN新型连接器可选的情况下重新设计和升级其原有的天线。几乎所有新的RRU设计都使用4.3/10 DIN连接器,而一部分设备制造商则选择了较小的NEX10或2.2/5连接器。

从2017年到2018年,基站市场的集束连接器出货量增长了一倍以上(图10),并且因双模FDD/TDD天线解决方案的出货,我们预计从2019年开始将继续增长。用于支持RF集束连接器的跳线电缆通常为尾缆,一头连接天线的集束连接器,一头连接RRU的单个连接器。

未来五年,以下趋势将推动基站基础设施市场中的单端口和多端口集束连接器增长:

• 从2×2 MIMO(2收2发)RRU向支持FDD LTE的4×4 MIMO(4发4收)RRU迁移。

• 适用于中频带(1800至2700 MHz)的FDD 8×8 MIMO RRU技术的出现和采用。

• 采用高端口数(>20)双模多频段FDD/TDD天线。

• 采用单频带和双频带TDD 5G NR 8×8 MIMO波束赋形天线。

• 在美国使用支持4×4 MIMO FDD的公民宽带无线电服务(CBRS)频谱。

射频连接器市场里无论是单连接器还是多端口集束连接器都将蓬勃发展。虽然最终会出现4.3/10 DIN连接器与传统7/16 DIN连接器出货量曲线的交叉点,但我们认为可能是2020年或2021年,因为2018年射频连接器的销量仍然以7/16 DIN连接器为主。


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