EN
V telekomunikacích jsou filtry „strážci“ frekvence, protože signály se šíří pouze tam, kam mají, a zároveň se vyhýbají rušení. Při vývoji základnových stanic, mikrovlnných spojů nebo satelitních terminálů musí inženýři učinit základní rozhodnutí, a to zda použít koaxiální dutinové nebo vlnovodové filtry. Každý z nich má své specifické výhody, které jsou určeny frekvencí, výkonem, rozměry a architekturou systému. Koaxiální filtry se nejčastěji používají v případech, kdy aplikace vyžaduje malé rozměry a flexibilitu návrhu při frekvencích pod 6 GHz, zatímco při vyšších frekvencích jsou upřednostňovány vlnovodové filtry díky jejich nízkým ztrátám a schopnosti zpracovávat vysoký výkon na těchto frekvencích. LINKWORLD je globální společnost vyrábějící obě tyto technologie s více než 20letou zkušeností v oblasti RF. Tento průvodce popisuje hlavní aspekty, které od sebe tyto typy filtrů odlišují.
Frekvenční rozsah a elektrický výkon
Frekvence provozu obvykle ukazuje správnou a vhodnou technologii. Koaxiální filtry se šíří pomocí TEM módu a podporují frekvence mezi návrhovými limity a stejnosměrným proudem (DC). Jsou široce využívány v mobilních základnových stanicích v rozsahu 400 MHz až přibližně 6 GHz, kde poskytují dobrý výkon a přijatelnou velikost. Koaxiální dutinové filtry s činiteli jakosti rezonátorů až 3 000 se používají pro výběr úzkopásmových kanálů v aplikacích 5G v pod-6 GHz pásmu. Tato vlastnost typu horní propust je intrinzicky vysoká a činí je ideálními pro frekvence nad přibližně 4 GHz. V milimetrovém vlnovém pásmu, jehož jedním koncem je frekvence 30 GHz a vyšší frekvence v tomto pásmu vykazují extrémně vysoké ztráty a vyšší módy v koaxiálních strukturách, lze prakticky využít pouze vlnovody. Vlnovodové filtry mají vložní útlum až 0,15 dB při frekvenci 94 GHz oproti 0,47 dB u koaxiálních alternativ.
Vložní útlum a výkonová zátěž
Každý decibel ztráty má přímý vliv na pokrytí, přenosové rychlosti a provozní náklady. Vlnovodové filtry jsou v obou ohledech výhodné. Jejich kovové duté konstrukce nevykazují žádné dielektrické ztráty a signály se přenášejí prostřednictvím vzduchem vyplněných otvorů. Vložená ztráta vlnovodů v pásmu Ku (12–18 GHz) činí přibližně 0,15 dB/m oproti 0,67 dB/m u koaxiálních řešení – tedy 4,5krát nižší. Totéž platí i pro zatížitelnost výkonem: vlnovody typu WR-42 dokáží vést pulzní výkon 20 kW v pásmu Q, což je 400krát více než jejich koaxiální protějšky. Koaxiální filtry dosahují dobrých výsledků v rámci svého zamýšleného použití – filtry pro pásmo L vysoce kvalitního provedení mají vloženou ztrátu nižší než 0,5 dB. Kompromis spočívá v přítomnosti dielektrických materiálů, které způsobují ztráty, jež u vlnovodů nepřítomny. Jev povrchového proudového vrstvení (skin effect) soustřeďuje proud do tenčích vrstev při vyšších frekvencích, a proto je nutná vysoká kvalita povrchového nánosu.
Fyzické rozměry a aspekty integrace
Telekomunikační infrastruktura také stále více vyžaduje komponenty malých rozměrů. V tomto případě mají koaxiální filtry významné výhody. Rezonátory typu TEM nabízejí vynikající provozní vlastnosti, avšak jejich fyzický objem roste v závislosti na požadavcích na činitel jakosti (Q-factor). Nové technologie tento problém řeší – u dielektrických rezonančních filtrů jsou vzduchové dutiny nahrazeny keramickými materiály s vysokou permitivitou; plošná náročnost lze snížit až o 50 procent bez jakéhokoli dopadu na elektrický výkon. Pro základnové stanice 5G Massive MIMO se staly běžným řešením keramické dielektrické filtry. Vlnovodové filtry jsou z principu vždy poměrně velké – jejich rozměry jsou přímo úměrné vlnové délce. Avšak pokud kmitočty stoupnou do milimetrového pásma, kde se vlnové délky zmenší na milimetry, je fyzická velikost vlnovodů překvapivě malá. Technologie integrovaného vlnovodu do substrátu (Substrate Integrated Waveguide, SIW) umožňuje realizovat návrhy podobné vlnovodovým ve formě plošných tištěných spojů (PCB), přičemž poskytuje nízké ztráty, kompaktní rozměry a možnost integrace.
Environmentální stabilita a dlouhodobá spolehlivost
Telekomunikační infrastruktura je často nasazována venku po desetiletí. Vlnovodní konstrukce jsou vysoce stabilní – konstrukce zcela z kovu nevykazují rozdíly v tepelné roztažnosti ani únik plynů (outgassing). Amplitudový drift vlnovodů typu WR-15 způsobený tepelným cyklováním mezi −55 °C a +125 °C činí pouze −0,008 dB/°C, zatímco dielektrika z PTFE ve koaxiálních strukturách se při nízkých teplotách smršťují, což vede k nesouladu impedancí. Ve vzdáleném vesmíru odolávají vlnovodní filtry takovým dávkám radiace, které by u koaxiálních dielektrik způsobily jejich uhlíkování. Aby koaxiální filtry dosáhly podobné stability, je nutné je pečlivě vybírat s ohledem na slitiny s nízkou tepelnou roztažností a dielektrické nosiče kompenzující teplotní změny. Hermetické uzavření chrání před pronikáním vlhkosti. Moderní filtry pro základnové stanice 5G mají provozní rozsah od −40 °C do +85 °C a malý frekvenční drift.
Volba zahrnuje kompromisy mezi kmitočtem, ztrátami, fyzickými omezeními a požadavky na prostředí. Koaxiální filtry jsou preferovanou volbou v pod-6 GHz pásmu díky menším rozměrům a snazší integraci, což je důležitější než vyšší ztráty. Při kmitočtech kolem 10 GHz a vyšších jsou vlnovodové filtry nutné kvůli lepším ztrátovým charakteristikám, schopnosti pracovat s vyšším výkonem a odolnosti v náročnějších podmínkách prostředí. S přesunem technologie 5G do milimetrového pásma a 6G do ještě vyšších kmitočtů se mění i používané technologie – koaxiální konstrukce s novými dielektriky a miniaturizací na jedné straně a vlnovodové technologie založené na SIW (substrate-integrated waveguide) a aditivní výrobě na straně druhé. Společnost Linkworld má více než 20 let zkušeností s výrobou RF komponent v obou těchto technologiích a nabízí filtry, sestavy i návrhovou expertizu, kterou vyžaduje telekomunikační infrastruktura. Kontaktujte nás ohledně vašich konkrétních požadavků na filtry.