EN
В телекоммуникациях фильтры выступают в роли «стражей» частоты: сигналы проходят только по предназначенным для них путям и не подвергаются влиянию помех. При разработке базовых станций, микроволновых линий связи или спутниковых терминалов инженеры сталкиваются с базовым выбором — использовать ли коаксиальные резонансные или волноводные фильтры. Каждый из этих типов обладает своими уникальными преимуществами, определяемыми рабочей частотой, мощностью, габаритами и архитектурой системы. Коаксиальные фильтры наиболее распространены в приложениях, где требуются компактные габариты и гибкость проектирования при частотах ниже 6 ГГц; в то же время на более высоких частотах предпочтение отдаётся волноводным фильтрам благодаря их низким потерям и способности работать с высокой мощностью. LINKWORLD является глобальной компанией в области производства обоих типов технологий и обладает более чем 20-летним опытом в области РЧ-технологий. В этом руководстве описаны основные аспекты, отличающие такие типы фильтров.
Диапазон частот и электрические характеристики
Частота эксплуатации обычно указывает на правильную и подходящую технологию. Коаксиальные фильтры распространяют сигнал в поперечно-электромагнитном (TEM) режиме и поддерживают частоты в диапазоне от постоянного тока до пределов проектного диапазона. Они широко применяются в базовых станциях сотовой связи в диапазоне от 400 МГц до примерно 6 ГГц благодаря хорошим эксплуатационным характеристикам и разумным габаритам. Коаксиальные резонаторные фильтры с добротностью резонаторов до 3000 используются для выделения узкополосных каналов в приложениях 5G в поддиапазоне ниже 6 ГГц. Эта высокочастотная характеристика является принципиально выраженной и делает такие фильтры идеальными для применения выше примерно 4 ГГц. В миллиметровом диапазоне частот, где нижний предел составляет 30 ГГц, а более высокие частоты в этом диапазоне характеризуются чрезвычайно высокими потерями и возбуждением высших типов волн в коаксиальных структурах, практически применимы только волноводные фильтры. Потери вносимого затухания волноводных фильтров составляют всего 0,15 дБ на частоте 94 ГГц по сравнению с 0,47 дБ у коаксиальных аналогов.
Потери вносимого затухания и мощность
Каждый децибел потерь напрямую влияет на зону покрытия, скорости передачи данных и эксплуатационные затраты. Волноводные фильтры хорошо зарекомендовали себя по обоим этим параметрам. Их полые металлические конструкции не обладают диэлектрическими потерями, а сигналы передаются по воздушным каналам. Вносимые потери в волноводах в диапазоне Ku (12–18 ГГц) составляют около 0,15 дБ/м по сравнению с 0,67 дБ/м у коаксиальных решений — в 4,5 раза меньше. То же справедливо и для рассеиваемой мощности: волноводы типа WR-42 способны пропускать импульсную мощность до 20 кВт в диапазоне Q — в 400 раз выше, чем их коаксиальные аналоги. Коаксиальные фильтры обеспечивают хорошую производительность в пределах своей целевой области применения: качественные фильтры диапазона L имеют вносимые потери менее 0,5 дБ. Компромисс заключается в использовании диэлектрических материалов, которые создают механизмы потерь, отсутствующие в волноводах. Эффект скин-слоя концентрирует ток в более тонких поверхностных слоях при повышении частоты, поэтому требуется высокое качество гальванического покрытия.
Физические габариты и аспекты интеграции
Инфраструктура телекоммуникаций также требует компонентов меньшего размера. В этом случае коаксиальные фильтры обладают значительными преимуществами. Резонаторы типа TEM обеспечивают превосходную работу, однако их физический объём возрастает пропорционально требованиям к добротности (Q-фактору). Новые технологии решают эту проблему: в фильтрах с диэлектрическими резонаторами воздушные полости заменяются керамическими материалами с высокой диэлектрической проницаемостью; площадь занимаемого места может быть сокращена на 50 % без ущерба для электрических характеристик. Для базовых станций 5G с технологией Massive MIMO применяются керамические диэлектрические фильтры. Волноводные фильтры по своей природе всегда достаточно габаритны — их размеры напрямую пропорциональны длине волны. Однако при повышении частот до миллиметрового диапазона, когда длина волны уменьшается до долей миллиметра, размеры волноводов становятся удивительно малыми. Технология интегрированного в подложку волновода (SIW) позволяет реализовывать конструкции, аналогичные волноводным, в плоских печатных платах (PCB), обеспечивая низкие потери, компактные габариты и возможность интеграции.
Экологическая стабильность и долгосрочная надёжность
Телекоммуникационная инфраструктура зачастую развертывается на открытом воздухе на десятилетия. Конструкции волноводов обладают высокой стабильностью: полностью металлические конструкции не подвержены различиям в тепловом расширении и выделению газов. Дрейф амплитуды волноводов типа WR-15 при термоциклировании в диапазоне от −55 °C до +125 °C составляет всего −0,008 дБ/°C, тогда как диэлектрики из политетрафторэтилена (ПТФЭ) в коаксиальных структурах сжимаются при низких температурах, что приводит к несогласованию импедансов. В условиях глубокого космоса волноводные фильтры устойчивы к радиационным дозам, способным вызвать карбонизацию диэлектриков коаксиальных линий. Для достижения аналогичной стабильности коаксиальные фильтры должны тщательно подбираться с использованием сплавов с низким коэффициентом теплового расширения и диэлектрических опор с компенсацией температурных изменений. Герметичное уплотнение защищает от проникновения влаги. Современные фильтры для базовых станций 5G обеспечивают работоспособность в диапазоне температур от −40 °C до +85 °C при незначительном дрейфе частоты.
Выбор предполагает компромиссы между частотой, потерями, физическими ограничениями и требованиями к окружающей среде. Коаксиальные фильтры являются предпочтительным решением в диапазоне ниже 6 ГГц благодаря меньшим габаритам и простоте интеграции, что важнее повышенных потерь. На частотах около 10 ГГц и выше предпочтение отдаётся волноводным фильтрам из-за их лучших характеристик по потерям, способности работать при более высокой мощности и в более жёстких условиях окружающей среды. По мере перехода сетей 5G к миллиметровому диапазону, а сетей 6G — к ещё более высоким частотам, технологии также эволюционируют: коаксиальные конструкции с новыми диэлектриками и миниатюризацией, а также волноводные технологии на основе SIW (встроенного волновода) и аддитивного производства. Компания Linkworld обладает более чем 20-летним опытом производства ВЧ-компонентов по обеим технологиям и предлагает фильтры, сборочные узлы и экспертные услуги по проектированию, необходимые для телекоммуникационной инфраструктуры. Свяжитесь с нами, чтобы обсудить ваши конкретные требования к фильтрам.