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La capacité est primordiale dans les réseaux émergents 5G et 6G. Dans les schémas de modulation à haut ordre, les systèmes MIMO massifs et la réutilisation dense des fréquences, des environnements de signal extrêmement propres sont nécessaires. La distorsion intermodulation passive (PIM) constitue toutefois l’un des adversaires les plus insidieux de la capacité, agissant au niveau des composants passifs. L’interférence de signal, provoquée par la présence de plusieurs porteuses haute puissance qui excitent les non-linéarités des connecteurs, des câbles ou des composants, élève le niveau de bruit et dégrade les performances. L’infrastructure essentielle aux réseaux à haute capacité repose sur des composants à faible PIM. Nous disposons de plus de 20 ans d’ RF expérience dans le domaine de l’ingénierie des composants passifs hyperfréquences, avec des performances garanties en matière de faible PIM. Ce guide expose les 4 dimensions critiques à prendre en compte lors du choix de composants à faible PIM.
Comprendre la PIM et son impact sur la capacité du réseau
C’est ici que les jonctions non linéaires terminent deux porteuses ou plus de forte puissance et mélangent leurs fréquences pour produire des produits d’intermodulation pouvant tomber dans les bandes de réception. Lorsque les fréquences sont proches les unes des autres, les produits du troisième ordre apparaissent sur la même bande que le signal reçu lorsqu’il existe une jonction non linéaire entre les deux fréquences couplées. Même si la puissance à −153 dBc ne représente qu’un facteur 5×10⁻¹⁶ de la porteuse, les signaux reçus étant très faibles, ce niveau d’interférence apparemment négligeable rend le bruit de fond trop élevé pour permettre de bonnes performances. Effet sur la capacité : une comparaison de la capacité dans les cas marginal et maximal montre un gain de capacité allant jusqu’à 30 % pour les sites à fort trafic en configuration 4×4 MIMO, à condition que les produits d’intermodulation (PIM) restent inférieurs à −160 dBc. Un gain de 1 dB sur les PIM permet de simplifier l’augmentation des ordres de modulation et de l’efficacité spectrale.
Sélection des matériaux et systèmes de placage
La sélection des matériaux est critique pour obtenir de faibles performances en termes d’intermodulation passive (PIM). Les matériaux ferromagnétiques — fer, nickel et cobalt — doivent être totalement éliminés du trajet du signal, car ils constituent les principaux contributeurs au PIM. Le matériau de base utilisé pour le boîtier, les connecteurs et les logements peut être un matériau à haute conductivité, tel que le laiton ou le cuivre, mais des systèmes de plaquage sont également requis. Un plaquage tri-métallique conducteur et assurant une protection environnementale (cuivre, nickel, puis soit argent soit or) est appliqué sur les composants haut de gamme. La relation entre la qualité du plaquage et le PIM est extrême : ainsi, un plaquage or-sur-nickel suffisant, associé à une gestion adéquate du couple de serrage, permet de réduire le PIM de 15 dB par rapport aux conceptions traditionnelles. Qualité de surface : Le problème de la qualité de surface est microscopique — la profondeur de peau dans la bande W étant inférieure à 0,2 μm, les défauts du réseau cristallin dominent directement les propriétés d’intermodulation. Les composants destinés à l’espace doivent être fabriqués en aluminium d’une pureté ≥ 99,9997 % et présenter une rugosité de surface Ra ≤ 0,8 μm.
Conception avancée de connecteurs et d'interfaces
Les interfaces des connecteurs constituent la source la plus courante d'intermodulation passive (PIM). Le principal phénomène physique à l'origine du développement de la PIM est la non-linéarité de contact métallique, résultant d'un contact électrique non idéal. Les connecteurs modernes à faible PIM surmontent ce problème sous plusieurs aspects. Les connecteurs 4,3-10 se sont imposés comme standard dans le secteur, notamment en tant que connecteurs pour stations macro et systèmes de distribution d'antennes (DAS) haute puissance, grâce à leurs interfaces de contact symétriques qui garantissent l'absence de micro-espaces sur toute la circonférence, évitant ainsi la génération de PIM. Les conceptions les plus complexes sont celles basées sur des bandes interdites électromagnétiques (EBG) sans contact, où la PIM est réduite en utilisant des interfaces non conductrices, car la non-linéarité induite par le contact métallique est supprimée, permettant ainsi une atténuation moyenne supérieure à 20 dB (par rapport aux conceptions conventionnelles). Les guides d'ondes remplis diélectriquement ne comportent aucune surface de contact et doivent être envisagés comme une option dans les situations exigeant des niveaux très élevés de performance en matière de PIM.
Intégration et tests au niveau système
Ce n’est pas une faible valeur de PIM au niveau du composant qui garantit les performances du système. Le PIM final est affecté par l’interaction entre les éléments et l’environnement. Un couple de serrage correct est extrêmement critique, car un desserrage excessif entraîne la perte de contact, tandis qu’un serrage excessif provoque des fissures dans le matériau diélectrique et une déformation des contacts. Un couple de serrage de 8 à 10 pouces-libres (in-lbs) pour des connecteurs SMA standards permet de réduire le PIM jusqu’à 15 dB par rapport à des connexions lâches. Des essais dans des conditions réelles seraient requis : le PIM peut varier de ±6 dB lorsque les tolérances d’assemblage présentent des valeurs différentes du couple de serrage des boulons, comprises dans la plage de 0,3 N·m. Ces défis sont aggravés par les facteurs thermiques : la rugosité de surface des jonctions argentées passe de Ra 0,3 μm à Ra 1,2 μm après 2 000 cycles thermiques, ce qui augmente le PIM de 15 dB. L’exigence de rester à jour au fil des années implique que les éléments soient conçus pour l’avenir. Les composants fonctionnant entre 617 MHz et 5925 MHz sont des composants ultra-large bande, ce qui permet d’évoluer le réseau sans modifier l’infrastructure. L’infrastructure extérieure est conçue pour résister aux conditions environnementales et comporte des extrémités à faible PIM dotées d’une protection IP67 et de connecteurs 4,3-10.
Les réseaux sans fil à forte capacité reposent sur l’utilisation de composants à faible PIM. L’ensemble de ces facteurs influence les performances en matière de PIM, ce qui détermine finalement la capacité des réseaux, depuis la pureté des matériaux et le placage précis jusqu’à la conception avancée des connecteurs et aux essais rigoureux. La réduction du PIM revêt une importance encore plus grande avec l’arrivée de la 5G et l’émergence de la 6G. Linkworld est un fabricant disposant de plus de deux décennies d’expérience dans le domaine des composants RF, ainsi que d’une solide expertise en conception de composants à faible PIM, notamment pour les composants passifs micro-ondes fiables destinés aux déploiements à forte capacité. Contactez-nous pour discuter de vos besoins en composants à faible PIM.