Блог

Роля на пасивните компоненти в СВ и телекомуникационни системи

Разбиране на пасивните компоненти в СВ и телекомуникационни системи

Пасивните компоненти са основни градивни елементи на СВ и телекомуникационните системи, които осигуряват критично кондициониране на сигнала без въвеждане на усилване или активен контрол. За разлика от активни компоненти като транзистори или усилватели, пасивни елементи като резистори, кондензатори и индуктори работят единствено чрез взаимодействие на електромагнитни полета. Основните им функции включват:

• Съответствие на импеданса : Осигуряване на ефективен пренос на мощност между етапите на веригата.
• Филтриране : Блокиране на нежелани честоти, докато се запазва цялостността на сигнала.
• Схранване на енергия : Временно съхраняване на заряд или магнитна енергия за таймер и стабилност.

Тези компоненти са незаменими при формирането на поведението на сигнала, особено в среди с висока честота, където минимални загуби при вмъкване и прецизна импедансна съгласуваност определят ефективността на системата.

Разпределение и комбиниране на сигнали в телекомуникационни мрежи

Пасивни компоненти като разпределители на мощност са наистина важни в съвременните телекомуникационни мрежи, когато става въпрос за разпределянето на сигнали в многоантенни настройки и в тези разпределени радио устройства, които виждаме навсякъде днес. Когато ВЧ сигнал навлезе в базова станция, обикновено се налага да се разпредели към няколко различни пътя, за да може да достигне до всички тези антени или инсталации на малки клетки, без да се наруши синхронизацията между тях. Повечето инженери разчитат на насочени свързвачи или делители на Уилкинсън за тази задача. Тези устройства всъщност могат да разпределят сигнали в пропорции до 1:32 и са в състояние да поддържат загуби при вмъкване под 0.5 dB според измерванията, извършени около честотните диапазони от 3.5 GHz по време на полеви тестове миналата година. Анализът на начина, по който работят ВЧ подсистемите в съвременната ни безжична инфраструктура, показва, че тези прости пасивни компоненти имат голямо значение за това какво 5G мрежите могат да направят относно капацитета и времето за отклик, защото те правят възможно прецизното формиране на лъчите заедно с методите за агрегиране на носители. Проблемът за дизайнерите е да намерят правилното съотношение между количеството мощност, които тези компоненти могат да поемат, и колко малки те трябва да са, особено в гъсто населени градски райони, където честотите mmWave изискват компоненти, които се вписват в изключително тесни пространства.

Как работят разпределителите на мощност: основни функции и ключови характеристики

Функция на разпределителите на мощност при разпространение на сигнали

Разпределителите на мощност са по същество пасивни компоненти, използвани в цялата телекомуникационна мрежа. Те приемат входящ сигнал с радиочестота и го разделят на няколко изходни пътя, като поддържат балансиран импеданс. Основната задача на тези устройства е да разпределят сигнали равномерно към различни части от мрежата, включително обикновените антени, онези модерни разпределени антени, наречени DAS, както и всички базови станции. При настройката на 5G мрежи, техници често се нуждаят от разделяне на един 3.5 GHz сигнал на два или четири отделни пътя, за да могат да достигнат до няколко зони едновременно. Това помага на доставчиците на услуги да постигнат по-добра покритост, без да предизвикат допълнителни проблеми с интерференция по-нататък.

Разпределители на мощност срещу комбинери в телекомуникационни приложения

Хората често ги бъркат, но разпределителите и обединителите всъщност изпълняват противоположни функции. Разпределителите поемат сигнал, идващ от един източник, и го изпращат към няколко различни точки едновременно. Обединителите работят в обратна посока – те приемат сигнали от няколко източника и ги обединяват в един изходящ сигнал. Някои модели разпределители могат при нужда да се използват и като обединители, особено ако притежават двупосочни възможности. Например хибридните съединители – тези устройства позволяват на сигнали от два отделни предавателя да се смесят в една антенна връзка. Най-важното тук е, че те поддържат тези отделни сигнали изолирани един от друг. Това е от голямо значение в райони, където безжичните сигнали са плътно натрупани, като големите градове, защото в противен случай всички тези сигнали ще започнат да се пречат помежду си.

Основни показатели за производителност: Коефициент на разделяне, Загуби при вмъкване и Изолация

Три показателя определят ефективността на разпределителя:

• Коефициент на разделяне : Описва разпределението на изхода (напр. 1:2 за равно разпределяне).
• Загуба при включване : Намаление на мощността на сигнала чрез устройството, обикновено 0,1–3 dB при висок клас устройства. Според индустриални проучвания, загубите под 1 dB подобряват енергийната ефективност на мрежата с 12–18% (Ponemon Institute, 2023).
• Изолация : Понама на сигнала между изходните портове, надвишаващи 20 dB в преиум моделите, за да се избегне интерференция в многоканални системи.

Тези параметри директно влияят на надеждността на мрежата, особено при внедряване на mmWave 5G, където интегритетът на сигнала е от решаващо значение.

Видове и компромиси в дизайна на ВЧ разделители на мощността

Разделителите на ВЧ мощността са пасивни компоненти, критични за управлението на интегритета на сигнала в телекомуникационни системи, като тяхното представяне е директно свързано с избора на дизайн. По-долу ще разгледаме основните им вариации, техническите компромиси и оперативното влияние.

Най-често срещани видове разделители на мощността: Уилкинсън, насочени и резистивни

Трите основни архитектури на ВЧ разделители на мощността изпълняват различни роли:

• Разделители на Уилкинсън използвайте четвърт-вълнови трансформатори, за да разделяте сигнали, като поддържате изолацията на портовете, което ги прави идеални за приложения с висока честота, като 5G антенни масиви. Проучване от 2024 г. относно RF системи подчертава ниските загуби при включване (обикновено <0.3 dB) и способността да поемат нива на мощност до 100W.
• Дирекционни разпределители използват свързани предавателни линии за маршрутизиране на сигнали в зависимост от честотата, често използвани при дуплексна честотна диверсия.
• Резистивни разпределители предоставят широк честотен обхват и компактни размери, но жертват изолацията (често <20 dB), което ограничава използването им в нискомощни тестови устройства.

Загуби при включване и изолация: Влияние върху ефективността на мрежата

Загубите при включване (2–3 dB в комерсиални разпределители) директно намаляват пропускания обем на мрежата, докато недостатъчната изолация (>30 dB цел за 5G) причинява изтичане на сигнали между портовете. Например, загуба от 1 dB в масивен MIMO приемник 64T64R може да влоши пропускания обем на ръба на клетката с 15–20%, според последни полеви изпитвания.

Компромиси в дизайна: Компактни размери срещу висока изолация и поемане на мощност

Миниатюризирането на разпределители за малки клетки често принуждава инженерите да приемат 10–15% по-ниско поемане на мощност или 5–8 dB по-ниска изолация. Напреднали субстрати като GaN-on-SiC помагат за намаляване на тези загуби, което позволява използването на Уилкинсън разпределители с 40% по-малък размер, без да се компрометира представянето на 2.4 GHz в по-новите разгръщания на mmWave.

Приложения на разпределители на мощност в 5G и съвременната безжична инфраструктура

Разпределители на мощност в 5G базови станции и малки клетки

Разпределителите на енергия са основни компоненти на всяка 5G инсталация, като помагат за равномерното разпределяне на сигнали в онези големи MIMO антенни системи, които се виждат навсякъде днес. В повечето базови станции днес се използват за разделянето на високочестотните сигнали, така че те да се изпращат еднакво към около 64 или дори 128 различни антенни точки. Това помага за поддържане на стабилно покритие в целия район и осигурява прецизно насочване на сигнала там, където е необходимо. В случай на по-малки клетки, монтирани в гъсто населени градски зони, компактни версии на тези разпределители стават наистина важни. Те намаляват загубите на сигнал, докато все още се вписват в ограничени пространства като върху улични лампи или по фасади на сгради, където пространството е ограничено за телекомуникационни екипи, които се опитват да настроят всичко перфектно.

Практическо внедряване в mmWave 5G мрежи

Честотите на милиметровите вълни над 24 GHz наистина срещат затруднения с разпространението, например абсорбиране от атмосферата и лошо дифрактиране около препятствия. За тези високочестотни диапазони инженерите използват разпределители на мощност, които помагат за намаляване на загубите на сигнал чрез разделянето на сигналите за тези фазирани антенни решетки, които всъщност могат да насочват лъчите точно там, където е необходимо. Вземете за пример стандартна базова станция за 28 GHz 5G. Обикновено тя разчита на разпределители на мощност от тип Уилямсън, за да се постигне тежкото равновесие между добро изолиране над 20 dB и поддържането на загуби при въвеждане под около 0.3 dB. Тази конфигурация прави възможно поддържането на добри скорости на предаване дори при покритие на разстояния от около 200 метра, въпреки че всички знаят, че mmWave все още се нуждае от сравнително чиста оптическа връзка, за да работи правилно в повечето случаи.

Предизвикателства при управлението на сигнали в телекомуникационни системи с висока честота

За системите с висока честота 5G, разделителите на мощност трябва да могат да поемат екстремни термични условия, като в същото време поддържат загубата при отразяване под -15 dB, за да избягнат тези досадни несъответствия в импеданса. Когато работят на честоти около 39 GHz, дори малки фазови разлики от около 5 градуса между изходните сигнали могат сериозно да наруша шаблоните на лъчите. Подобни изкривявания всъщност намаляват капацитета на мрежата с около 30 до 40 процента, според проучване на Ponemon през 2023 г. Най-добрите съвременни дизайни започват да включват материали, компенсиращи температурните промени, както и конектори с позлата. Тези компоненти помагат всичко да работи правилно, дори когато външните температури се променят с повече от 50 градуса по Целзий всяка година, което често се случва в много от местата на разгръщане.

Като се справят с тези технически предизвикателства, разделителите на мощност остават незаменими за мащабирането на 5G инфраструктурата, за да се постигнат прогнозираните изисквания за скорости от 10 Gbps и латентност под 1 ms.

Бъдещи тенденции: Интегриране на разпределители на мощност в ИПУ и миниатюрни модули

Интегрирани пасивни устройства (ИПУ): Растеж на пазара и телекомуникационни приложения

Телекомуникационните компании бързо се насочват към по-малки и по-ефективни мрежови конфигурации, което обяснява защо интегрираните пасивни устройства (ИПУ) стават все по-популярни напоследък. Тези малки полупроводникови модули комбинират елементи като разпределители на мощност, филтри и свързвани устройства, всички на един субстрат. Резултатът? Базовите станции изискват около 40 до дори 60 процента по-малко компоненти в сравнение с по-рано и освен това работят по-студено. Напредвайки в бъдещето, докато 5G продължава да се внедрява в страната, експерти на пазара смятат, че търсенето на ИПУ в телекомуникационния сектор вероятно ще нарасне с около 19% годишно до 2028 г. Миниатюризирането на тези ВЧ предни края остава важен двигател на тази тенденция, според повечето наблюдатели на индустрията.

Разпределители на мощност като вградени компоненти в напреднали ВЧ модули

Водещи производители вече вграждат разпределители на електрозахранването директно в усилватели с радиочестота (RF) с галиев нитрид (GaN), което позволява модули с двойна функция, заемащи 30% по-малко място на печатни платки в сравнение с дискретни конфигурации. Този подход за съвместно проектиране подобрява съгласуването на импеданса при честоти в милиметровия диапазон, намалявайки загубите при включване с 0.8–1.2 dB в антени с фазова решетка на 28 GHz.

Съчетаване на миниатюризация и производителност в проекти с интегрални пасивни устройства (IPD)

Докато IPD осигуряват безпрецедентна икономия на пространство, проектирането изисква компромис между изолацията (минимум -25 dB за мрежи 5G) и размери на корпуса под 2.5 mm². Нови постижения в интегрирането на кондензатори с тънка пленка и екранирането чрез преходи през субстрата са подобрили метриката за изолация до -32 dB при 39 GHz в серийно производство на разпределители за IPD.

ЧЗВ

Какво представляват пасивните компоненти в RF и телекомуникационни системи?

Пасивните компоненти са основни градивни елементи в RF и телекомуникационни системи, включително елементи като резистори, кондензатори и индуктори. Те изпълняват критични функции като съгласуване на импеданса, филтриране и съхраняване на енергия, без да осигуряват усилване или активен контрол.

Как работят разпределители на мощност в телекомуникационни мрежи?

Разпределителите на мощност се използват за разделяне на входящ сигнал с радиочестота на няколко изходни пътя, като се поддържа баланс на импеданса. Те са критични за равномерното разпределяне на сигнали в телекомуникационни мрежи, особено в 5G инсталациите.

Каква е разликата между разпределители на мощност и комбинатори?

Разпределителите на мощност разделят единичен входящ сигнал на няколко пътя, докато комбинаторите обединяват сигнали от няколко източника в един изходен път. Някои устройства, като хибридни щифтове, могат да изпълняват двете функции.

Защо загубите при включване са значителни при RF разпределители на мощност?

Загубата при включване се отнася до намаляването на мощността на сигнала, докато минава през разделител. По-ниските загуби при включване подобряват енергийната ефективност на мрежата и производителността на системата, особено при приложения с висока честота.

Какви бъдещи тенденции повлияват на проектирането на разпределители на ВЧ мощност?

Интегрирането на разпределители на мощност в миниатюрни модули и IPD е важна тенденция, която подобрява ефективността и намалява броя на компонентите, необходими в телекомуникационни системи.