EN
Trong viễn thông, bộ lọc đóng vai trò như những cổng kiểm soát tần số, đảm bảo tín hiệu chỉ truyền đi đúng nơi quy định và tránh gây nhiễu. Trong quá trình phát triển trạm gốc, liên kết vi ba hoặc đầu cuối vệ tinh, các kỹ sư phải đưa ra một quyết định cơ bản: sử dụng bộ lọc dạng khoang đồng trục hay bộ lọc dạng ống dẫn sóng. Mỗi loại đều có những ưu điểm riêng, phụ thuộc vào dải tần số, công suất, kích thước và kiến trúc hệ thống. Bộ lọc đồng trục được sử dụng phổ biến nhất khi ứng dụng yêu cầu kích thước nhỏ gọn và tính linh hoạt trong thiết kế ở dải tần dưới 6 GHz; trong khi đó, ở tần số cao hơn, bộ lọc ống dẫn sóng lại được ưa chuộng nhờ tổn hao thấp và khả năng xử lý công suất cao tại các tần số này. LINKWORLD là một công ty toàn cầu chuyên sản xuất cả hai công nghệ trên, với hơn 20 năm kinh nghiệm trong lĩnh vực RF. Hướng dẫn này nêu bật các yếu tố chính phân biệt hai loại bộ lọc này.
Dải tần số và hiệu năng điện
Tần số hoạt động thường cho thấy công nghệ phù hợp và chính xác. Bộ lọc đồng trục truyền sóng theo chế độ TEM và hỗ trợ dải tần từ giới hạn thiết kế xuống đến tần số một chiều (DC). Chúng được sử dụng rộng rãi trong các trạm gốc di động ở dải tần từ 400 MHz đến khoảng 6 GHz, với hiệu suất tốt và kích thước hợp lý. Các bộ lọc khoang đồng trục có hệ số phẩm chất cộng hưởng (Q-factor) lên tới 3.000 được dùng để chọn các kênh băng hẹp trong các ứng dụng 5G dưới 6 GHz. Đặc tính lọc thông cao vốn có của chúng rất cao, do đó chúng đặc biệt thích hợp ở tần số trên khoảng 4 GHz. Ở dải tần milimet (millimeter-wave), trong đó 30 GHz là một đầu của dải tần và các tần số cao hơn trong dải này gặp tổn hao cực lớn cùng các chế độ bậc cao hơn trong cấu trúc đồng trục, thì chỉ có các bộ lọc hướng dẫn sóng (waveguide) mới có thể được sử dụng một cách thực tế. Các bộ lọc hướng dẫn sóng có tổn hao chèn thấp tới 0,15 dB tại 94 GHz, so với 0,47 dB đối với các giải pháp thay thế đồng trục.
Tổn hao chèn và khả năng xử lý công suất
Mỗi decibel tổn hao đều ảnh hưởng trực tiếp đến diện tích phủ sóng, tốc độ truyền dữ liệu và chi phí vận hành. Bộ lọc hướng sóng (waveguide) hoạt động tốt ở cả hai khía cạnh này. Cấu trúc rỗng bằng kim loại của chúng không gây ra bất kỳ tổn hao điện môi nào, và tín hiệu được truyền qua các khoang rỗng chứa không khí. Tổn hao chèn của hướng sóng ở dải tần Ku (12–18 GHz) vào khoảng 0,15 dB/m, so với mức 0,67 dB/m ở các giải pháp đồng trục — thấp hơn 4,5 lần. Điều tương tự cũng đúng với khả năng chịu công suất: hướng sóng WR-42 có thể dẫn công suất xung lên tới 20 kW ở dải tần Q, cao hơn 400 lần so với các bộ lọc đồng trục tương ứng. Các bộ lọc đồng trục đạt hiệu năng tốt trong phạm vi ứng dụng mục tiêu của chúng — ví dụ, các bộ lọc dải L chất lượng cao có tổn hao chèn dưới 0,5 dB. Tuy nhiên, sự đánh đổi nằm ở việc sử dụng vật liệu điện môi, vốn tạo ra các cơ chế tổn hao không tồn tại trong trường hợp hướng sóng. Hiện tượng hiệu ứng da (skin effect) làm tập trung dòng điện vào các lớp bề mặt mỏng hơn khi tần số tăng cao, do đó yêu cầu chất lượng mạ bề mặt phải đảm bảo.
Kích thước vật lý và các yếu tố liên quan đến tích hợp
Cơ sở hạ tầng viễn thông cũng ngày càng cần nhiều thành phần có kích thước nhỏ hơn. Trong trường hợp này, bộ lọc đồng trục mang lại nhiều lợi ích vượt trội. Các cộng hưởng TEM hoạt động rất tốt, tuy nhiên thể tích vật lý của chúng tăng lên để đáp ứng yêu cầu về hệ số phẩm chất (Q-factor). Các công nghệ mới đã giải quyết vấn đề này: trong các bộ lọc cộng hưởng điện môi, các khoang không khí được thay thế bằng các vật liệu gốm có hằng số điện môi cao; diện tích chiếm chỗ có thể giảm tới 50%, mà không ảnh hưởng đến hiệu năng điện. Các trạm gốc 5G Massive MIMO hiện đang sử dụng bộ lọc điện môi gốm. Bộ lọc hướng dẫn sóng vốn luôn có kích thước khá lớn — vì kích thước của chúng tỷ lệ thuận trực tiếp với bước sóng. Tuy nhiên, khi tần số tăng lên dải sóng milimet, nơi bước sóng giảm xuống chỉ còn vài milimet, thì kích thước của các hướng dẫn sóng lại trở nên đáng ngạc nhiên là nhỏ. Công nghệ Hướng dẫn sóng tích hợp trên nền mạch in (Substrate Integrated Waveguide – SIW) là một công nghệ cho phép thiết kế theo kiểu hướng dẫn sóng ngay trên các bảng mạch in phẳng, với tổn hao thấp, kích thước nhỏ gọn và khả năng tích hợp cao.
Độ ổn định về môi trường và độ tin cậy dài hạn
Cơ sở hạ tầng viễn thông thường được triển khai ngoài trời trong nhiều thập kỷ. Thiết kế ống dẫn sóng rất ổn định — các cấu trúc hoàn toàn bằng kim loại không chịu ảnh hưởng bởi sự chênh lệch giãn nở nhiệt hay hiện tượng thoát khí (outgassing). Độ trôi biên độ của ống dẫn sóng WR-15 do chu kỳ thay đổi nhiệt độ trong khoảng từ -55°C đến +125°C chỉ tương ứng với -0,008 dB/°C, trong khi điện môi PTFE trong các cấu trúc đồng trục co lại khi nhiệt độ thấp, gây ra sự không khớp trở kháng. Trong môi trường không gian sâu, các bộ lọc ống dẫn sóng có khả năng chịu được liều bức xạ đủ cao để làm cacbon hóa điện môi của các cấu trúc đồng trục. Để đạt được độ ổn định tương tự, các bộ lọc đồng trục cần được lựa chọn cẩn thận với hợp kim có độ giãn nở thấp và các giá đỡ điện môi bù nhiệt độ. Việc hàn kín (hermetic sealing) bảo vệ chống xâm nhập độ ẩm. Các bộ lọc trạm gốc 5G hiện đại hoạt động trong dải nhiệt độ từ -40°C đến +85°C với độ trôi tần số rất nhỏ.
Việc lựa chọn này đòi hỏi phải cân nhắc giữa tần số, tổn hao, các ràng buộc về mặt vật lý và yêu cầu môi trường. Bộ lọc đồng trục là lựa chọn ưu tiên ở dải tần dưới 6 GHz do kích thước nhỏ hơn và dễ tích hợp hơn — yếu tố này quan trọng hơn mức tổn hao tăng lên. Ở các tần số khoảng 10 GHz trở lên, bộ lọc dạng sóng dẫn trở nên cần thiết nhờ đặc tính tổn hao tốt hơn, khả năng hoạt động với công suất cao hơn và chịu được điều kiện môi trường khắc nghiệt hơn. Khi 5G chuyển sang dải sóng milimet và 6G tiến tới các tần số cao hơn, các công nghệ cũng thay đổi: các thiết kế đồng trục sử dụng điện môi mới và thu nhỏ kích thước, đồng thời công nghệ sóng dẫn dựa trên cấu trúc SIW (Substrate Integrated Waveguide) và sản xuất gia tăng (additive manufacturing). Linkworld có hơn 20 năm kinh nghiệm trong sản xuất RF bằng cả hai công nghệ này, cung cấp các bộ lọc, cụm linh kiện và chuyên môn thiết kế đáp ứng nhu cầu của cơ sở hạ tầng viễn thông. Hãy liên hệ với chúng tôi để thảo luận về nhu cầu bộ lọc cụ thể của quý khách.