Коаксиални филтри срещу вълноводни филтри в телекомуникационната инфраструктура

В телекомуникациите филтрите са „пазачи на честотата“, тъй като сигналите се предават само там, където трябва, и се предотвратява възникването на интерференция. При разработването на базови станции, микровълнови връзки или спътникови терминали инженерите трябва да вземат основно решение – дали да използват коаксиални кавитетни или вълноводни филтри. Всеки от тях притежава уникални предимства, определени от честотния диапазон, мощността, размерите и архитектурата на системата. Коаксиалните филтри са най-често използваните при приложения, изискващи компактни габарити и гъвкавост в проектирането при честоти под 6 GHz, докато при по-високи честоти се предпочитат вълноводните филтри поради ниските загуби и необходимостта от работа с висока мощност при тези честоти. LINKWORLD е глобална компания за производство на двете технологии, с повече от 20-годишен опит в областта на радиочестотните (RF) решения. Това ръководство представя основните аспекти, които отличават тези типове филтри.

Честотен диапазон и електрически параметри

Честотата на работа обикновено показва правилната и подходяща технология. Коаксиалните филтри се разпространяват чрез използване на TEM-мод, като поддържат честоти в интервала между проектирани граници и постояннотоковата (DC) честота. Те се използват широко в клетъчни базови станции с честотен диапазон от 400 MHz до около 6 GHz, като осигуряват добро представяне и разумни размери. Коаксиалните кавитетни филтри с резонаторни Q-фактори до 3000 се използват за избор на теснополосни канали в приложенията за 5G в под-6 GHz диапазона. Тази високочестотна характеристика е вродена и висока, което ги прави идеални за честоти над около 4 GHz. При честоти в милиметровата вълнова област, където 30 GHz е единият край на диапазона, а по-високите честоти в този диапазон са свързани с изключително големи загуби и възникване на висши модове в коаксиалните структури, практически могат да се използват само вълноводите. Вълноводните филтри имат вносна загуба от само 0,15 dB при 94 GHz, спрямо 0,47 dB при коаксиалните алтернативи.

Вносна загуба и мощност, която може да бъде издръжана

Всеки децибел загуба оказва директно влияние върху зоната на обхвата, скоростта на предаване на данни и разходите за експлоатация. Вълноводните филтри са добри по отношение на двете аспекти. Техните метални кухи конструкции нямат диелектрични загуби и сигналите се предават през отвори, изпълнени с въздух. Вълноводната загуба при вмъкване в Ku-диапазона (12–18 GHz) е около 0,15 dB/m, спрямо 0,67 dB/m при коаксиални решения — т.е. 4,5 пъти по-ниска. Същото важи и за мощностната способност: вълноводите тип WR-42 могат да пренасят импулсна мощност до 20 kW в Q-диапазона, което е 400 пъти по-високо от съответните коаксиални решения. Коаксиалните филтри постигат добро качество в рамките на целевия си обхват на употреба — например качествените L-диапазонни филтри имат загуба при вмъкване по-малка от 0,5 dB. Компромисът се изразява в наличието на диелектрични материали, които водят до механизми на загуба, отсъстващи при вълноводните решения. Ефектът на повърхностното течение концентрира тока в по-тънки повърхности при по-високи честоти и затова е необходима висока качество на плакирането.

Физически размер и аспекти, свързани с интеграцията

Инфраструктурата за телекомуникации също има по-голяма нужда от компоненти с малки размери. В този случай коаксиалните филтри имат значителни предимства. Резонаторите от тип TEM осигуряват отлично функциониране, но при това физическият им обем нараства в зависимост от изискванията към фактора Q. Новите технологии решават този проблем: в диелектричните резонаторни филтри въздушните кухини се заменят с керамични материали с висока диелектрична проницаемост; площта им може да се намали с 50 процента, без да се засегне електрическата им производителност. Базовите станции за 5G Massive MIMO са преминали към керамични диелектрични филтри. Вълноводните филтри винаги са сравнително големи по размер — техните габарити са директно пропорционални на дължината на вълната. Обаче, когато честотите нараснат до милиметровия диапазон, където дължините на вълната намаляват до милиметри, размерите на вълноводите стават изненадващо малки. Технологията Substrate Integrated Waveguide (SIW) е подход, който осигурява проектиране, подобно на вълноводно, в рамките на плоски PCB-размери, с ниски загуби, компактни габарити и възможност за интеграция.

Екологична стабилност и дългосрочна надеждност

Телекомуникационната инфраструктура често се инсталира на открито в продължение на десетилетия. Конструкциите на вълноводи са изключително стабилни — изцяло металните конструкции не изпитват разлики в термичното разширение и изгазяване. Амплитудното отклонение на вълноводите тип WR-15 поради термично циклиране между -55 °C и +125 °C съответства само на -0,008 дБ/°C, докато диелектриците от ПТФЕ в коаксиалните структури се свиват при ниски температури, което води до несъответствие в импеданса. В дълбокия космос филтрите на вълноводи устойчиви на радиационни дози, достатъчни за карбонизиране на коаксиалните диелектрици. За постигане на подобна стабилност коаксиалните филтри трябва да се избират внимателно — използват се сплави с ниско термично разширение и диелектрични опори с температурна компенсация. Герметичното запечатване предпазва от проникване на влага. Съвременните филтри за базови станции за 5G имат работен температурен диапазон от -40 °C до +85 °C с малко отклонение на честотата.

Изборът включва компромиси между честотата, загубите, физическите ограничения и изискванията към околната среда. Коаксиалните филтри са предпочитаният избор при честоти под 6 GHz поради по-малките си размери и по-лесната интеграция, което е по-важно от увеличените загуби. При честоти около 10 GHz и по-високи, вълноводните филтри са задължителни поради по-добрите си характеристики по отношение на загубите, способността да работят при по-висока мощност и в по-тежки условия на околната среда. С преминаването към милиметрови вълни при 5G и към още по-високи честоти при 6G технологиите се променят: коаксиални конструкции с нови диелектрици и миниатюризация, както и вълноводна технология, базирана на SIW (Substrate Integrated Waveguide) и адитивно производство. Linkworld разполага с повече от 20-годишен опит в производството на ВЧ компоненти по двете технологии и предлага филтри, сборки и проектантски експертиза, необходими за телекомуникационната инфраструктура. Свържете се с нас относно вашите специфични изисквания към филтри.