EN
In der Telekommunikation sind Filter die Torwächter der Frequenz: Signale gelangen nur dorthin, wo sie hingehören, und störende Einflüsse werden ferngehalten. Bei der Entwicklung von Basisstationen, Mikrowellenverbindungen oder Satellitenterminals stehen Ingenieure vor einer grundlegenden Entscheidung: der Einsatz von Koaxialhohlraum- oder Wellenleiterfiltern. Jeder Filtertyp bietet spezifische Vorteile, die sich aus Frequenz, Leistung, Größe und Systemarchitektur ergeben. Koaxialfilter werden am häufigsten eingesetzt, wenn die Anwendung kompakte Abmessungen und Gestaltungsflexibilität bei Frequenzen unterhalb von 6 GHz erfordert; bei höheren Frequenzen hingegen werden Wellenleiterfilter aufgrund ihrer geringen Dämpfung und ihrer Fähigkeit, hohe Leistungen bei diesen Frequenzen zu bewältigen, bevorzugt. LINKWORLD ist ein weltweit tätiges Unternehmen in der Produktion beider Technologien mit über 20 Jahren Erfahrung im Bereich HF-Technik. Dieser Leitfaden beschreibt die wesentlichen Merkmale, die solche Filtertypen unterscheiden.
Frequenzbereich und elektrische Leistung
Die Betriebsfrequenz zeigt in der Regel die richtige und geeignete Technologie an. Koaxialfilter leiten Signale im TEM-Modus weiter und unterstützen Frequenzen zwischen den konstruktiven Grenzfrequenzen und Gleichstrom (DC). Sie werden umfangreich in Mobilfunk-Basisstationen im Frequenzbereich von 400 MHz bis etwa 6 GHz eingesetzt, wobei sie eine gute Leistung bei vernünftiger Baugröße bieten. Koaxiale Hohlraumfilter mit Resonator-Q-Faktoren von bis zu 3.000 werden zur Selektion schmalbandiger Kanäle in 5G-Sub-6-GHz-Anwendungen verwendet. Diese Hochpass-Charakteristik ist intrinsisch hoch und macht sie ab etwa 4 GHz besonders geeignet. Bei Frequenzen im Millimeterwellen-Bereich – wobei 30 GHz ein Ende dieses Bereichs darstellt und höhere Frequenzen innerhalb dieses Bereichs extrem hohe Verluste sowie höhere Moden in koaxialen Strukturen aufweisen – sind ausschließlich Wellenleiter praktisch einsetzbar. Wellenleiterfilter weisen bei 94 GHz eine Einfügedämpfung von nur 0,15 dB auf, verglichen mit 0,47 dB bei koaxialen Alternativen.
Einfügedämpfung und Leistungsbelastbarkeit
Jeder Dezibel Verlust wirkt sich unmittelbar auf die Abdeckungsfläche, die Datenraten und die Betriebskosten aus. Wellenleiterfilter überzeugen in beiden Aspekten: Ihre hohlen metallischen Konstruktionen weisen keinerlei dielektrische Verluste auf, und die Signale werden in luftgefüllten Hohlräumen übertragen. Der Einfügungsdämpfungswert von Wellenleitern im Ku-Band (12–18 GHz) beträgt etwa 0,15 dB/m – im Vergleich zu 0,67 dB/m bei koaxialen Lösungen also 4,5-mal geringer. Dasselbe gilt für die Leistungsbelastbarkeit: WR-42-Wellenleiter können im Q-Band eine Impulsleistung von 20 kW übertragen – das ist 400-mal höher als bei koaxialen Alternativen. Koaxiale Filter erreichen innerhalb ihres vorgesehenen Einsatzbereichs eine gute Leistung – hochwertige L-Band-Filter weisen beispielsweise eine Einfügungsdämpfung von weniger als 0,5 dB auf. Der Kompromiss besteht darin, dass die zur Signalübertragung verwendeten dielektrischen Materialien Verlustmechanismen verursachen, die bei Wellenleitern nicht vorhanden sind. Der Skineffekt konzentriert den Strom bei höheren Frequenzen auf dünnere Oberflächenschichten, weshalb eine hohe Qualität der Beschichtung erforderlich ist.
Physische Größe und Integrationsaspekte
Die Telekommunikationsinfrastruktur benötigt zudem zunehmend kompaktere Komponenten. In diesem Fall bieten Koaxialfilter große Vorteile. TEM-Resonatoren gewährleisten hervorragende Funktionalität; ihr physikalisches Volumen steigt jedoch mit steigenden Anforderungen an den Q-Faktor. Neue Technologien lösen dieses Problem: Bei Dielektrikum-Resonatorfiltern werden Lufthohlräume durch keramische Materialien mit hoher Permittivität ersetzt; die Baugröße kann dadurch um 50 Prozent reduziert werden, ohne dass sich die elektrische Leistungsfähigkeit beeinträchtigt. 5G-Massive-MIMO-Basisstationen setzen zunehmend auf keramische Dielektrikum-Filter. Hohlleiterfilter sind grundsätzlich recht groß – ihre Abmessungen stehen nämlich direkt im Verhältnis zur Wellenlänge. Doch wenn die Frequenzen in den Millimeterwellenbereich steigen, wobei die Wellenlängen auf Millimeter verkürzt werden, verringert sich die Größe der Hohlleiter überraschend stark. Die Substrate-Integrated-Waveguide-(SIW)-Technologie ermöglicht hohlleiterähnliche Schaltungen in planarer Leiterplattenbauweise mit geringen Verlusten, kompakten Abmessungen und guter Integrationsfähigkeit.
Umweltstabilität und Langzeitzuverlässigkeit
Die Telekommunikationsinfrastruktur wird häufig jahrzehntelang im Freien eingesetzt. Wellenleiterkonstruktionen zeichnen sich durch hohe Stabilität aus – vollmetallische Konstruktionen weisen keine Unterschiede bei der thermischen Ausdehnung und kein Ausgasen auf. Die Amplitudendrift von WR-15-Wellenleitern infolge thermischer Zyklen zwischen −55 °C und +125 °C beträgt lediglich −0,008 dB/°C, während PTFE-Dielektrika in koaxialen Strukturen bei Kälte schrumpfen und dadurch zu einer Impedanzanpassungsstörung führen. Im Weltraum widerstehen Wellenleiterfilter Strahlungsdosen, die ausreichen, um koaxiale Dielektrika zu verkohlen. Um eine vergleichbare Stabilität zu erreichen, müssen koaxiale Filter sorgfältig unter Verwendung von Legierungen mit geringer Wärmeausdehnung sowie temperaturkompensierenden dielektrischen Halterungen ausgewählt werden. Eine hermetische Versiegelung schützt vor Feuchtigkeitseintritt. Moderne 5G-Basisstationfilter weisen eine Betriebstemperatur von −40 °C bis +85 °C bei nur geringer Frequenzdrift auf.
Die Wahl beinhaltet Kompromisse zwischen Frequenz, Verlust, physikalischen Einschränkungen und Umgebungsanforderungen. Koaxialfilter sind im Sub-6-GHz-Bereich die bevorzugte Wahl, da ihre geringere Größe und einfachere Integration wichtiger sind als der höhere Verlust. Bei Frequenzen von etwa 10 GHz und darüber hinaus werden Wellenleiterfilter aufgrund ihrer besseren Dämpfungseigenschaften sowie ihrer Fähigkeit, mit höherer Leistung und unter anspruchsvolleren Umgebungsbedingungen zu betreiben, erforderlich. Mit dem Übergang zu Millimeterwellen bei 5G und noch höheren Frequenzen bei 6G ändern sich die Technologien: Koaxialdesigns mit neuen Dielektrika und Miniaturisierung sowie Wellenleitertechnologien auf Basis von SIW (Substrate Integrated Waveguide) und additiver Fertigung gewinnen an Bedeutung. Linkworld verfügt über mehr als 20 Jahre Erfahrung in der HF-Fertigung mit beiden Technologien und bietet die Filter, Baugruppen sowie das Konstruktions-Know-how, das für die Telekommunikationsinfrastruktur erforderlich ist. Kontaktieren Sie uns bezüglich Ihrer spezifischen Filteranforderungen.