EN
W telekomunikacji filtry pełnią rolę strażników częstotliwości, ponieważ sygnały przemieszczają się wyłącznie tam, gdzie powinny, a zakłócenia są skutecznie eliminowane. W trakcie projektowania stacji bazowych, łączy mikrofalowych lub terminali satelitarnych inżynierowie muszą podjąć podstawową decyzję dotyczącą zastosowania filtrów wnękowych współosiowych lub falowodowych. Każdy z tych typów charakteryzuje się unikalnymi zaletami, które zależą od zakresu częstotliwości, mocy, rozmiaru oraz architektury systemu. Filtry współosiowe są najczęściej stosowane w przypadku aplikacji wymagających małych rozmiarów i elastyczności projektowej przy częstotliwościach poniżej 6 GHz, natomiast w wyższych zakresach częstotliwości preferowane są filtry falowodowe ze względu na niskie straty oraz zdolność do obsługi wysokiej mocy przy tych częstotliwościach. LINKWORLD jest firmą światową produkującą oba te typy technologii, posiadającą ponad 20-letnie doświadczenie w dziedzinie technik RF. Niniejszy przewodnik omawia główne aspekty różnicujące te rodzaje filtrów.
Zakres częstotliwości i parametry elektryczne
Częstotliwość pracy zwykle wskazuje na odpowiednią i właściwą technologię. Filtry współosiowe propagują się w trybie TEM i obsługują częstotliwości w zakresie od granic projektowych do prądu stałego (DC). Są one szeroko stosowane w stacjach bazowych sieci komórkowych o zakresie częstotliwości od 400 MHz do około 6 GHz, zapewniając dobrą wydajność przy rozsądnych rozmiarach. Współosiowe filtry kawernowe z czynnikami jakości rezonatorów (Q) dochodzącymi do 3000 są wykorzystywane do selekcji wąskopasmowych kanałów w zastosowaniach 5G w zakresie poniżej 6 GHz. Ta charakterystyka typu filtr górnoprzepustowy jest z natury wysoka i czyni je idealnym wyborem powyżej około 4 GHz. W zakresie częstotliwości milimetrowych, gdzie jednym z końców zakresu jest 30 GHz, a wyższe częstotliwości w tym zakresie wiążą się z bardzo dużymi stratami oraz występowaniem modów wyższego rzędu w strukturach współosiowych, praktycznie jedynymi możliwymi do zastosowania są falowody. Filtry falowodowe charakteryzują się tłumieniem wstawieniowym na poziomie nawet 0,15 dB przy 94 GHz, w porównaniu do 0,47 dB dla alternatywnych rozwiązań współosiowych.
Tłumienie wstawieniowe i obciążalność mocy
Każdy decybel straty ma bezpośredni wpływ na obszar zasięgu, szybkość transmisji danych oraz koszty eksploatacji. Filtry falowodowe są dobre pod oboma tymi względami. Ich metalowe, puste konstrukcje nie wykazują żadnych strat dielektrycznych, a sygnały są przesyłane przez otwarte, wypełnione powietrzem kanały. Strata włożeniowa falowodów w paśmie Ku (12–18 GHz) wynosi około 0,15 dB/m, co jest 4,5 raza niższe niż w rozwiązaniach współosiowych (0,67 dB/m). To samo dotyczy wytrzymałości na moc: falowody typu WR-42 mogą przewodzić impulsową moc 20 kW w paśmie Q – czyli 400 razy więcej niż odpowiedniki współosiowe. Filtry współosiowe osiągają dobrą wydajność w zakresie swojej przeznaczonej aplikacji – wysokiej jakości filtry w paśmie L charakteryzują się stratą włożeniową mniejszą niż 0,5 dB. Kompromis ten wiąże się z obecnością materiałów dielektrycznych, które generują mechanizmy strat nie występujące w przypadku falowodów. Zjawisko naskórkowe skupia prąd w cieńszych warstwach powierzchniowych przy wyższych częstotliwościach, dlatego wymagana jest wysoka jakość pokrycia powierzchniowego.
Wymiary fizyczne i uwzględnienia związane z integracją
Infrastruktura telekomunikacyjna wymaga również coraz mniejszych komponentów. W tym przypadku filtry współosiowe oferują znaczne korzyści. Rezonatory typu TEM zapewniają doskonałą pracę, jednak ich objętość fizyczna rośnie wraz ze wzrostem wymaganego współczynnika dobroci (Q). Nowe technologie rozwiązują ten problem – w filtrach rezonansowych dielektrycznych wnęki powietrzne zastępuje się materiałami ceramicznymi o wysokiej przenikalności elektrycznej; powierzchnia zajmowana przez takie filtry może zostać zmniejszona o 50 procent bez wpływu na parametry elektryczne. Stacje bazowe 5G z technologią Massive MIMO wykorzystują obecnie filtry dielektryczne ceramiczne. Filtry falowodowe są z natury stosunkowo duże – ich wymiary są wprost proporcjonalne do długości fali. Jednak przy wzroście częstotliwości do zakresu fal milimetrowych, gdy długość fali spada do kilku milimetrów, rozmiary falowodów stają się zaskakująco małe. Technologia falowodów zintegrowanych z podłożem (Substrate Integrated Waveguide, SIW) umożliwia realizację konstrukcji podobnych do falowodów w płaskich wymiarach płytek PCB, zapewniając niskie straty, kompaktowe wymiary oraz możliwość integracji.
Stabilność środowiskowa i długotrwała niezawodność
Infrastruktura telekomunikacyjna jest często wdrażana na zewnątrz przez dziesięciolecia. Konstrukcje falowodów charakteryzują się wysoką stabilnością — całkowicie metalowe konstrukcje nie ulegają różnicom w rozszerzalności cieplnej ani wydzielaniu gazów. Dryf amplitudy falowodów typu WR-15 spowodowany cyklowaniem temperatury w zakresie od −55 °C do +125 °C wynosi zaledwie −0,008 dB/°C, podczas gdy dielektryki z PTFE w strukturach współosiowych kurczą się w niskich temperaturach, powodując niedopasowanie impedancji. W głębokiej przestrzeni kosmicznej filtry falowodowe wytrzymują dawki promieniowania wystarczające do uwęglenia dielektryków współosiowych. Aby osiągnąć podobną stabilność, filtry współosiowe muszą być starannie dobierane pod kątem zastosowania stopów o niskim współczynniku rozszerzalności cieplnej oraz podpórek dielektrycznych kompensujących zmiany temperatury. Uszczelnienie hermetyczne chroni przed przedostawaniem się wilgoci. Współczesne filtry stacji bazowych 5G zapewniają działanie w zakresie temperatur od −40 °C do +85 °C przy niewielkim dryfie częstotliwości.
Wybór wiąże się z kompromisami między częstotliwością, stratami, ograniczeniami fizycznymi oraz wymaganiami środowiskowymi. Filtry współosiowe są preferowanym rozwiązaniem poniżej 6 GHz ze względu na mniejsze rozmiary i łatwiejszą integrację, co ma większe znaczenie niż nieco wyższe straty. W zakresie częstotliwości około 10 GHz i wyższych konieczne stają się filtry falowodowe, ponieważ charakteryzują się lepszymi parametrami strat oraz zdolnością pracy przy większej mocy i w bardziej ekstremalnych warunkach środowiskowych. Wraz z przejściem technologii 5G do zakresu fal milimetrowych oraz 6G do jeszcze wyższych częstotliwości zmieniają się również stosowane technologie: filtry współosiowe z nowymi dielektrykami i miniaturyzacją oraz technologia falowodowa oparta na strukturach SIW (Substrate Integrated Waveguide) i produkcji addytywnej. Linkworld posiada ponad 20-letnie doświadczenie w produkcji elementów RF w obu tych technologiach, oferując filtry, zespoły oraz wiedzę projektową niezbędną dla infrastruktury telekomunikacyjnej. Skontaktuj się z nami w sprawie swoich konkretnych potrzeb dotyczących filtrów.