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En telecomunicaciones, los filtros son los guardianes de la frecuencia, ya que las señales solo viajan allí donde deben hacerlo y evitan las interferencias. En el desarrollo de estaciones base, enlaces de microondas o terminales satelitales, los ingenieros deben tomar una decisión fundamental: utilizar filtros de cavidad coaxial o filtros de guía de ondas. Cada uno de ellos ofrece ventajas únicas determinadas por la frecuencia, la potencia, el tamaño y la arquitectura del sistema. Los filtros coaxiales son los más utilizados cuando la aplicación requiere factores de forma reducidos y flexibilidad de diseño por debajo de 6 GHz, mientras que, a frecuencias superiores, se prefieren los filtros de guía de ondas debido a sus bajas pérdidas y a la necesidad de manejar altas potencias a dichas frecuencias. LINKWORLD es una empresa global especializada en la producción de ambas tecnologías, con más de 20 años de experiencia en RF. Esta guía identifica los aspectos principales que distinguen estos tipos de filtros.
Rango de frecuencia y rendimiento eléctrico
La frecuencia de operación suele indicar la tecnología adecuada y correcta. Los filtros coaxiales se propagan mediante el modo TEM y soportan frecuencias comprendidas entre los límites de diseño y la corriente continua (DC). Se utilizan ampliamente en estaciones base celulares de 400 MHz a aproximadamente 6 GHz, ofreciendo un buen rendimiento y un tamaño razonable. Los filtros de cavidad coaxial con factores de calidad (Q) del resonador de hasta 3000 se emplean para seleccionar canales de banda estrecha en aplicaciones 5G sub-6 GHz. Esta característica de paso alto es intrínsecamente elevada, lo que los hace ideales para frecuencias superiores a aproximadamente 4 GHz. En el rango de frecuencias de ondas milimétricas —donde 30 GHz constituye uno de los extremos del rango y las frecuencias más altas experimentan pérdidas extremadamente elevadas, así como modos de orden superior en estructuras coaxiales— únicamente las guías de onda pueden utilizarse de forma práctica. Los filtros de guía de onda presentan una pérdida de inserción tan baja como 0,15 dB a 94 GHz, frente a 0,47 dB en las alternativas coaxiales.
Pérdida de inserción y capacidad de manejo de potencia
Cada decibelio de pérdida influye directamente en el área de cobertura, las velocidades de transmisión de datos y el costo operativo. Los filtros de guía de ondas son buenos en ambos aspectos. Sus construcciones metálicas huecas no presentan pérdidas dieléctricas, y las señales se transmiten a través de aberturas llenas de aire. La pérdida por inserción en guías de ondas en banda Ku (12–18 GHz) es de aproximadamente 0,15 dB/m, frente a 0,67 dB/m en soluciones coaxiales: 4,5 veces menor. Lo mismo ocurre con la capacidad de manejo de potencia: las guías de ondas WR-42 pueden conducir una potencia de pulso de 20 kW en banda Q, es decir, 400 veces mayor que sus equivalentes coaxiales. Los filtros coaxiales alcanzan un buen rendimiento dentro de su rango de aplicabilidad previsto; por ejemplo, los filtros de banda L de buena calidad presentan una pérdida por inserción inferior a 0,5 dB. El compromiso radica en la presencia de materiales dieléctricos que introducen mecanismos de pérdida ausentes en el caso de las guías de ondas. El efecto pelicular concentra la corriente en superficies más delgadas a frecuencias más altas, por lo que resulta necesaria una alta calidad del recubrimiento superficial.
Tamaño físico y consideraciones de integración
La infraestructura de telecomunicaciones también requiere en mayor medida componentes de pequeño tamaño. En este caso, los filtros coaxiales ofrecen grandes ventajas. Los resonadores TEM proporcionan un excelente funcionamiento, aunque su volumen físico aumenta conforme lo exigen los requisitos del factor de calidad (Q). Nuevas tecnologías resuelven este problema: en los filtros de resonador dieléctrico, las cavidades de aire se sustituyen por materiales cerámicos de alta permitividad; esto permite reducir la huella ocupada hasta en un 50 %, sin afectar el rendimiento eléctrico. Las estaciones base 5G Massive MIMO han adoptado filtros dieléctricos cerámicos. Los filtros de guía de onda son, por naturaleza, bastante grandes, ya que sus dimensiones son directamente proporcionales a la longitud de onda. Sin embargo, cuando las frecuencias aumentan hasta alcanzar longitudes de onda milimétricas —donde las longitudes de onda se reducen a milímetros—, el tamaño de las guías de onda resulta sorprendentemente pequeño. La tecnología de guía de onda integrada en sustrato (SIW, por sus siglas en inglés) es una tecnología que permite implementar diseños similares a los de guía de onda dentro de las dimensiones planares de una placa de circuito impreso (PCB), con bajas pérdidas, dimensiones compactas y capacidad de integración.
Estabilidad ambiental y fiabilidad a largo plazo
La infraestructura de telecomunicaciones se despliega frecuentemente al aire libre durante décadas. Los diseños de guías de onda son altamente estables: las estructuras totalmente metálicas no experimentan diferencias de dilatación térmica ni desgasificación. La deriva de amplitud de las guías de onda WR-15 debida a ciclos térmicos entre -55 °C y +125 °C corresponde únicamente a -0,008 dB/°C, mientras que los dieléctricos de PTFE en estructuras coaxiales se contraen en frío, lo que provoca una falta de coincidencia de impedancia. En el espacio profundo, los filtros de guía de onda resisten dosis de radiación suficientes para carbonizar los dieléctricos coaxiales. Para lograr una estabilidad similar, los filtros coaxiales deben seleccionarse cuidadosamente empleando aleaciones de baja expansión y soportes dieléctricos compensados térmicamente. El sellado hermético protege contra la entrada de humedad. Los filtros modernos para estaciones base 5G operan en un rango de temperatura de -40 °C a +85 °C con una pequeña deriva de frecuencia.
La elección implica compromisos entre la frecuencia, las pérdidas, las restricciones físicas y los requisitos ambientales. Los filtros coaxiales son la opción preferida por debajo de 6 GHz debido a su menor tamaño y facilidad de integración, factores que resultan más importantes que el aumento de las pérdidas. A frecuencias de aproximadamente 10 GHz y superiores, los filtros de guía de ondas se vuelven necesarios gracias a sus mejores características de pérdida, su capacidad para operar con mayor potencia y su idoneidad para condiciones ambientales más severas. Con la implementación del 5G en la banda de ondas milimétricas y la transición al 6G hacia frecuencias aún más altas, las tecnologías evolucionan: diseños coaxiales con nuevos dieléctricos y miniaturización, así como tecnologías de guía de ondas basadas en guías de onda integradas en sustrato (SIW) y fabricación aditiva. Linkworld cuenta con más de 20 años de experiencia en la fabricación de componentes RF con ambas tecnologías, ofreciendo filtros, conjuntos y experiencia en diseño que requiere la infraestructura de telecomunicaciones. Póngase en contacto con nosotros para analizar sus necesidades específicas de filtros.