Koaxiális és hullámvezetős szűrők a távközlési infrastruktúrában

A távközlésben a szűrők a frekvenciák őrzői, mivel a jelek csak oda jutnak el, ahová kellene, és így elkerülik az interferenciát. A bázisállomások, mikrohullámú kapcsolatok vagy műholdas végpontok fejlesztése során a mérnököknek alapvető döntést kell hozniuk: koaxiális üreges vagy hullámvezetős szűrőket használnak-e. Mindegyiknek megvan a saját előnye, amelyet a frekvencia, a teljesítmény, a méret és a rendszerarchitektúra határoz meg. A koaxiális szűrők a leggyakrabban alkalmazottak, ha az alkalmazás kis méretű kialakítást és tervezési rugalmasságot igényel 6 GHz alatti frekvenciákon, míg magasabb frekvenciákon a hullámvezetős szűrők előnyösek, mert alacsony veszteségűek, és képesek kezelni a magas teljesítményt ezen a frekvenciatartományon. LINKWORLD egy globális vállalat a két technológia gyártásában, több mint 20 éves RF-szakértelemmel. Ez az útmutató azon főbb jellemzőket azonosítja, amelyek megkülönböztetik az ilyen típusú szűrőket.

Frekvenciatartomány és elektromos teljesítmény

A működési frekvencia általában a megfelelő és helyes technológiát mutatja. A koaxiális szűrők a TEM-módus használatával terjednek, és támogatják a tervezési határok és a váltakozó áram (DC) közötti frekvenciákat. Széles körben alkalmazzák őket 400 MHz-től kb. 6 GHz-ig terjedő sejtes bázisállomásokon, jó teljesítménnyel és elfogadható méretekkel. A koaxiális üregszűrőket – amelyek rezonátor Q-tényezője akár 3000-ig is elérhető – a 5G alacsonyabb, 6 GHz-nél kisebb frekvenciás alkalmazásokban keskenysávú csatornák kiválasztására használják. Ez a felső áteresztő jelleg természetes módon magas, és ezért ideálisak kb. 4 GHz felett. A milliméterhullámú frekvenciatartományban, ahol a tartomány egyik végpontja 30 GHz, és a magasabb frekvenciákon a koaxiális szerkezetekben rendkívül nagy veszteségek és magasabb rendű módusok lépnek fel, gyakorlatilag csak a hullámvezetők használhatók. A hullámvezetős szűrők beszűrési vesztesége 94 GHz-en akár 0,15 dB is lehet, míg a koaxiális alternatívák esetében ez 0,47 dB.

Beszűrési veszteség és teljesítményterhelés

Minden decibelnyi veszteség közvetlen hatással van a lefedettségi területre, az adatátviteli sebességre és az üzemeltetési költségekre. A hullámvezető szűrők mindkét szempontból jónak bizonyulnak. Fémes, üreges szerkezetük nem okoz dielektromos veszteséget, és a jelek levegővel telt nyílásokon keresztül terjednek. A hullámvezető bevezetési vesztesége a Ku-sávban (12–18 GHz) körülbelül 0,15 dB/m, míg koaxiális megoldásoknál ez 0,67 dB/m – azaz 4,5-ször alacsonyabb. Ugyanez érvényes a teljesítményterhelhetőségre is: a WR-42-es hullámvezetők Q-sávban 20 kW impulzus-teljesítményt tudnak vezetni, ami 400-szor nagyobb, mint a koaxiális megoldások esetében. A koaxiális szűrők jó teljesítményt nyújtanak célzott alkalmazási területükön – például egy jó minőségű L-sávos szűrő bevezetési vesztesége kevesebb, mint 0,5 dB. A kompromisszumot a dielektromos anyagok jelenléte jelenti, amelyek olyan veszteségmechanizmusokat okoznak, amelyek hullámvezetők esetében nem lépnek fel. A bőrhatás magasabb frekvenciákon vékonyabb felületeken koncentrálja az áramot, ezért a felületi bevonat minősége elengedhetetlen.

Fizikai méret és integrációs szempontok

A távközlési infrastruktúra szintén egyre nagyobb mértékben igényli a kis méretű alkatrészeket. Ebben az esetben a koaxiális szűrők jelentős előnyökkel bírnak. A TEM rezonátorok kiváló működést nyújtanak, azonban a fizikai térfogatuk a Q-tényező igényei szerint növekszik. Az új technológiák ezt megoldják: a dielektromos rezonátoros szűrőkben a levegőtartalmú üregeket magas permittivitású kerámiaanyagokkal helyettesítik; így a felületfelhasználás 50 százalékkal csökkenthető anélkül, hogy ez negatívan befolyásolná az elektromos teljesítményt. A 5G Massive MIMO bázisállomások kerámiadielektromos szűrőket alkalmaznak. A hullámvezető-szűrők önmagukban mindig meglehetősen nagy méretűek – méreteik közvetlenül arányosak a hullámhosszal. Amikor azonban a frekvenciák milliméteres hullámhosszúságú tartományba emelkednek, és a hullámhosszak milliméteres nagyságrendbe csökkennek, a hullámvezetők mérete meglepően kicsi lesz. Az alaplap-integrált hullámvezető (SIW) technológia olyan technológia, amely hullámvezető-szerű terveket tesz lehetővé sík lemezalapú nyomtatott áramkörök (PCB) méreteiben, alacsony veszteséggel, kompakt méretekkel és integrációs képességgel.

Környezeti stabilitás és hosszú távú megbízhatóság

A távközlési infrastruktúra gyakran évtizedekre kerül kiépítésre szabadban. A hullámvezetők tervei rendkívül stabilak – a teljesen fémből készült konstrukciók nem szenvednek hőtágulási különbségektől vagy gázkibocsátástól. A WR-15 hullámvezetők amplitúdó-driftje a -55 °C és +125 °C közötti hőciklusok során csupán -0,008 dB/°C, míg a koaxiális szerkezetekben található PTFE-dielektromok hidegben összehúzódnak, ami impedancia-illesztési problémákat eredményez. A mélyűrben a hullámvezető szűrők ellenállnak annyira a sugárzásnak, hogy az koaxiális dielektromokat is képesek lennének szénréteggé alakítani. Hasonló stabilitás eléréséhez a koaxiális szűrőket óvatosan kell kiválasztani: alacsony hőtágulási együtthatójú ötvözetekből kell készülniük, és hőmérséklet-kiegyenlítő dielektromos támaszokat kell alkalmazni. A hermetikus tömítés védi a nedvesség behatolásától. A modern 5G bázisállomás-szűrők -40 °C és +85 °C közötti hőmérséklet-tartományban működnek kis frekvencia-drifttel.

A választás során kompromisszumokat kell kötni a frekvencia, a veszteség, a fizikai korlátozások és a környezeti követelmények között. A koaxiális szűrők az alacsonyabb, 6 GHz-nél kisebb frekvenciákon preferált megoldást jelentenek, mivel kisebb méretük és könnyebb integrálhatóságuk fontosabb, mint a növekedett veszteség. Körülbelül 10 GHz-es és annál magasabb frekvenciákon a hullámvezető-szűrők válnak szükségessé a jobb veszteségi jellemzők, a nagyobb teljesítményre való képesség és a súlyosabb környezeti feltételek melletti üzemelés miatt. Mivel az 5G milliméterhullámú tartományba, az 6G pedig még magasabb frekvenciákra helyeződik át, a technológiák is változnak: új dielektrikumokkal és miniaturizációval kiegészített koaxiális tervek, valamint SIW-alapú és additív gyártáson alapuló hullámvezető-technológiák jelennek meg. A Linkworld több mint 20 éves tapasztalattal rendelkezik az RF-gyártásban mindkét technológia területén, és olyan szűrőket, összeállításokat és tervezési szakértelmet kínál, amelyekre a távközlési infrastruktúra szükséges. Lépjen kapcsolatba velünk saját szűrőszükségleteiről!