کابل‌های هم‌محور RF چرا برای انتقال سیگنال در ایستگاه‌های پایه مناسب هستند؟

برآوردن نیازهای انتقال سیگنال ایستگاه پایه با کابل‌های هم‌محور RF

درک نیازمندی‌های انتقال سیگنال ایستگاه پایه

ایستگاه‌های پایه به کابل‌هایی نیاز دارند که صحت سیگنال را در فرکانس‌های تا 6 گیگاهرتز حفظ کنند و در عین حال در برابر عوامل محیطی مانند تغییرات دما و رطوبت مقاوم باشند. این سیستم‌ها نیازمند بازگشت تلفات کمتر از 20 دسی‌بل و امپدانس پایدار 50 اهم هستند تا از بازتاب سیگنال جلوگیری شود؛ که این امر برای انتقال قابل اعتماد صدا و داده در شبکه‌های سلولی ضروری است.

نحوه پاسخگویی کابل‌های هم‌محور RF به نیازهای زیرساخت‌های مخابراتی

طراحی لایه‌ای کابل‌های هم‌محور RF، موصل‌های دقیق را با مواد دی‌الکتریک پیشرفته ترکیب می‌کند تا انعطاف‌پذیری و کارایی محافظتی را متعادل کند. برخلاف موجبرهای صلب، انواع هم‌محور قادر به سازگاری با خم‌های تنگ در نصب‌های برجی هستند و در عین حال تضعیف کمتر از 0.3 دسی‌بل/متر در فرکانس 3.5 گیگاهرتز را فراهم می‌کنند که معیارهای عملکرد مهمی برای پیاده‌سازی‌های 5G NR را برآورده می‌سازد.

پدیده: افزایش وابستگی به اتصال RF قابل اعتماد در شبکه‌های 5G

در آزمایش‌های میدانی سال 2023، اپراتورها گزارش دادند که استفاده از کابل‌های هم‌محور RF دوبل شیلد در سلول‌های کوچک mmWave منجر به کاهش 38 درصدی بازدیدهای سایت شده است. این افزایش قابلیت اطمینان ناشی از نوآوری‌هایی مانند دی‌الکتریک‌های با حباب‌های فومی است که به کاهش نوسانات تأخیر در شرایط بار اوج ترافیک کمک می‌کنند.

تحلیل مقایسه‌ای: هم‌محور در مقابل موجبر در مقابل فیبر در ارتباطات آخرین مایل به ایستگاه پایه

کاهش حداقل تلفات سیگنال و تضعیف در کاربردهای پایگاه‌های پایه با فرکانس بالا

عوامل مؤثر در تلفات سیگنال در کابل‌های هم‌محور RF

کابل‌های هم‌محور RF به دلیل سه عامل از دست دادن سیگنال را تجربه می‌کنند. اول، جذب دی‌الکتریک که حدود ۰٫۸ تا ۱٫۵ درصد انرژی در مواد فوم PE استاندارد از بین می‌رود. سپس مقاومت هادی وجود دارد که می‌تواند واقعاً تا ۲۵ درصد از قدرت سیگنال در کابل‌های مفتولی مسی را از بین ببرد. و در نهایت، محافظت ضعیف منجر به تلفات تشعشعی نیز می‌شود. با این حال، گزارش اخیری از مؤسسه استانداردهای مخابرات چیز جالبی را نشان داد. تحقیقات آنها در سال ۲۰۲۳ نشان داد که ایستگاه‌های پایه مدرن با فرکانس بالا که در محدوده ۳٫۵ تا ۲۸ گیگاهرتز کار می‌کنند، زمانی که تمام این عوامل ترکیب شوند، سیگنال‌ها را حدود ۲۳ درصد سریع‌تر نسبت به سیستم‌های قدیمی‌تر زیر ۶ گیگاهرتز تضعیف می‌کنند. این موضوع برای اپراتورهای شبکه که تلاش می‌کنند کیفیت اتصالات را در فرکانس‌های مختلف حفظ کنند، بسیار مهم است.

تأثیر محدوده فرکانس و قابلیت‌های انتقال سیگنال بر تضعیف

کابل‌های هم‌محوری RF استاندارد تمایل دارند که در هر افزایش یک گیگاهرتزی در فرکانس، حدود ۱۸٪ از قدرت سیگنال خود را از دست بدهند. بیشتر مدل‌های رایج در فرکانس‌های ۶ گیگاهرتز پس از تنها ۱۰۰ فوت بیش از ۳ دسی‌بل افت سیگنال دارند. با این حال در فرکانس‌های پایین‌تر وضعیت به مراتب بهتر است و سیگنال‌های زیر ۱ گیگاهرتز معمولاً کمتر از نیم دسی‌بل افت در همین فاصله تجربه می‌کنند. برای مقابله با این افت‌ها، مهندسان کابل‌ها را با مشخصات امپدانس پایدار طراحی می‌کنند. کابل‌های با کیفیت بالا می‌توانند مقدار امپدانس ۵۰ اهم خود را از جریان مستقیم (DC) تا ۴۰ گیگاهرتز در محدوده ۱± اهم حفظ کنند که آن‌ها را در محدوده وسیعی از کاربردهایی که در آن صحت سیگنال حیاتی است، قابل اعتماد می‌سازد.

اصل: رابطه معکوس بین طول کابل و صحت سیگنال

برای هر 50 فوت اضافی کابل، قدرت سیگنال در آن شبکه‌های 4G و 5G به میزان تقریبی 0.75 تا 1.2 دسی‌بل کاهش می‌یابد. این مقدار در عمل بسیار قابل توجه است، به‌ویژه وقتی به یاد داشته باشیم که FCC خواستار کمتر از 2 دسی‌بل تلفات در اتصالات نهایی در سمت مشتری است. اکثر متخصصان در این حوزه پیشنهاد می‌کنند که در فرکانس‌های زیر 6 گیگاهرتز، طول کابل‌ها را کمتر از 150 فوت نگه دارید. همچنین معمولاً از ترفندهای پیشرفته‌ای برای تطبیق امپدانس استفاده می‌شود که ظاهراً باعث کاهش حدود دو سومی این تلفات بازتابی مزاحم می‌شود. انجمن زیرساخت بی‌سیم (WIA) این موضوع را در گزارش سال 2022 خود ذکر کرده است، بنابراین قطعاً این مسئله امروزه چیزی است که متخصصان به آن توجه ویژه‌ای دارند.

مطالعه موردی: کاهش افت دسی‌بل توسط کابل‌های هم‌محور کم‌تلفات در ماکروسل‌های شهری

یک شرکت مخابراتی بزرگ در یک شهر توانست افت سیگنال ماکروسل را از حدود ۴٫۲ دسی‌بل به فقط ۱٫۸ دسی‌بل کاهش دهد، صرفاً با جایگزینی کابل‌های استاندارد RG-8 با نسخه‌های جدید حباب‌دار با دی الکتریک پر شده از نیتروژن. نتایج بسیار قابل توجه بودند. سرعت دانلود در مناطق شلوغ مرکز شهر که همه برای دسترسی به پهنای باند رقابت می‌کردند، حدود ۴۱٪ افزایش یافت. علاوه بر این، مصرف توان هر سایت پایه‌ای به میزان ۱۸ وات در هر محل ایستگاه کمتر شد. این رقم ممکن است زیاد به نظر نرسد، مگر اینکه متوجه شوید این مقدار سالانه معادل صرفه‌جویی حدود ۲۱۰۰ دلار آمریکا در هزینه‌های برق برای هر دکل عملیاتی است.

رونق: پذیرش کابل‌های کواکسیال RF با تلفات بسیار پایین در پیاده‌سازی‌های فرکانس بالا

هفتاد و هشت درصد از ارائه‌دهندگان خدمات موبایل اکنون کابل‌های فوق العاده کم‌تلفات (<0.5 دسی‌بل/100 فوت در 28 گیگاهرتز) را برای پیاده‌سازی باند فرکانس میلی‌متری اولویت می‌دهند، که این امر ناشی از الزامات پهنای باند کانال 5G NR است. گزارش شبکه‌های موبایل سال 2024 افزایش 290 درصدی نسبت به سال قبل در استفاده از هادی‌های روکش‌دار نقره‌ای را نشان می‌دهد، که این امر هدایت فرکانس بالا را نسبت به طراحی‌های معمولی مسی 27 درصد بهبود می‌بخشد.

طراحی شده برای قابلیت اطمینان: ساختار کابل کواکسیال و نوآوری‌های مواد

معماری لایه‌ای کابل‌های RF کواکسیال: هادی، دی الکتریک، سپر، روکش

کابل‌های هم‌محور RF به دلیل ساختار لایه‌ای خود که با مهندسی دقیق طراحی شده است، قابلیت اطمینان بالایی دارند. درون این کابل‌ها شامل هادی‌های مسی توپر یا رشته‌ای است که سیگنال‌ها را به‌طور کارآمد منتقل می‌کنند. بین این لایه‌ها ماده عایق دی الکتریکی مانند PTFE یا گاهی پلی‌اتیلن فومی قرار دارد که باعث می‌شود عملکرد بدون تداخل به خوبی انجام شود. سپس لایه محافظ، که معمولاً از مس بافته یا نوار آلومینیومی ساخته می‌شود، حدود ۹۰ تا ۹۵ درصد از تداخل الکترومغناطیسی را بلوکه می‌کند. و در نهایت یک روکش خارجی که معمولاً از جنس PVC مقاوم در برابر UV برای محافظت در برابر شرایط آب و هوایی و عوامل محیطی اطراف دور تا دور کابل پیچیده شده است. آزمایش‌های واقعی نشان داده‌اند که این طراحی‌های چندلایه در عمل بسیار کمتر از گزینه‌های ساده‌تر تک‌لایه خراب می‌شوند؛ داده‌های جمع‌آوری‌شده از زمینه نشان می‌دهند که این خرابی حدود ۲۵٪ کمتر رخ می‌دهد.

نوآوری‌های مواد بهبوددهنده دوام و عملکرد

نسل جدید کابل‌های هم‌محور RF بخاطر نوآوری‌های جدی در علم مواد که به آنها کمک می‌کند تا با الزامات شبکه‌های 5G همگام بمانند، در حال ایجاد موجی از تغییر است. از نظر هدایت الکتریکی، آلیاژهای مس با خلوص بالا طبق مطالعه‌ای که پونمون در سال 2023 منتشر کرد، حدود 18٪ در مقایسه با رساناهای معمولی باعث کاهش تلفات سیگنال شده‌اند. در همین حال، دی‌الکتریک‌های فوم شده با تزریق نیتروژن درون این کابل‌ها توانسته‌اند ضریب سرعت آنها را تا حدود 0.85 افزایش دهند، بدین معنا که سیگنال‌ها می‌توانند بسیار سریع‌تر از قبل از آن عبور کنند. لایه بیرونی نیز فراموش نشده است. روکش‌های دو لایه پلی‌اتیلن تابش‌دیده حدود 40٪ در برابر شرایط جوی سخت مقاوم‌تر عمل می‌کنند تا مدل‌های قدیمی‌تر، بنابراین این کابل‌ها حتی در محیط‌های شهری سخت‌گیرانه با نوسانات دمایی شدید، عمری بیش از 15 سال دارند. تمام این بهبودها به خوبی با یافته‌های گزارش مواد مخابراتی سال 2024 همخوانی دارند، جایی که کارشناسان اشاره کردند که ارتقاء مواد تنها یک امتیاز اضافه نیست، بلکه برای اپراتورها ضروری است تا بتوانند آن زمان استفاده تقریباً کامل 99.999 درصدی شبکه را که همه انتظار دارند، حفظ کنند.

تطابق امپدانس (50 اهم برای کاربردهای فرکانس رادیویی) جهت تضمین حداقل بازتاب

استاندارد امپدانس 50 اهم به کاهش بازتاب‌های آزاردهنده سیگنال کمک می‌کند، زیرا ثابت دی‌الکتریک را در حدود 1.5 درصد تغییرات بسیار پایدار نگه می‌دارد. وقتی مهندسان در عمل این تنظیم را اشتباه انجام می‌دهند، وضعیت به سرعت بد می‌شود. ما از طریق آزمایش‌ها دیده‌ایم که عدم تطابق امپدانس می‌تواند تلفات بازگشتی (return loss) را تا حداکثر 6 دسی‌بل افزایش دهد، که طبق تحقیقات آزمایشگاه‌های نیوانگلند در سال گذشته، در حدود چهار مورد از هر پنج نصب ایستگاه پایه مشکلاتی ایجاد می‌کند. تکنیک‌های تولید مدرن امروزه ترازبندی هادی‌ها را در کمتر از 0.1 میلی‌متر از یکدیگر حفظ می‌کنند. این موضوع زمانی بسیار مهم است که کابل‌ها باید به صورت زاویه قائمه خم شوند بدون اینکه ویژگی‌های عملکردی خود را از دست بدهند. نتیجه چیست؟ کیفیت سیگنال بسیار بهتر با حدود 32 درصد کاهش در تشوه فاز در فرکانس‌های بالای mmWave نسبت به کابل‌هایی که خارج از این استانداردها ساخته شده‌اند.

استراتژی: انتخاب هادی خارجی موجدار مسی در مقابل آلومینیومی

مس برای پیاده‌سازی ماکروسل شهری با توان بالا ترجیح داده می‌شود، در حالی که کاهش وزن ۶۳ درصدی آلومینیوم آن را برای نصب‌های هوایی ایده‌آل می‌کند. طراحی‌های موجدار مقاومت به فشار تا ۲۲ درصد در مقایسه با گزینه‌های دیواره صاف در هر دو ماده افزایش می‌دهد.

عملکرد محافظتی و مقاومت در برابر تداخل الکترومغناطیسی در محیط‌های متراکم RF

عملکرد محافظتی به عنوان عاملی حیاتی در محیط‌های متراکم RF

ایستگاه‌های پایه امروزی باید با انواع تداخلات الکترومغناطیسی ناشی از آنتن‌های مجاور، خطوط برق که در همه جا کشیده شده‌اند و همچنین هزاران دستگاه اینترنت اشیاء (IoT) که در اطراف در حال فعالیت هستند، دست و پنجه نرم کنند. راه‌حل چیست؟ کابل‌های هم‌محور RF با محافظ خوب در اینجا کارهای شگفت‌انگیزی انجام می‌دهند. این کابل‌ها به عنوان سدی در برابر نویز فرکانس رادیویی ناخواسته عمل می‌کنند که در غیر این صورت سیگنال‌ها را مختل می‌کرد. بر اساس برخی تحقیقات اخیر منتشر شده در گزارش اثربخشی محافظت RF سال ۲۰۲۴، زمانی که اپراتورها در مواد محافظ باکیفیت سرمایه‌گذاری می‌کنند، کاهش چشمگیری در قطعی‌های خدمات ناشی از تداخل مشاهده می‌شود. در مناطق شهری شلوغ که تداخل الکترومغناطیسی (EMI) می‌تواند به بیش از ۱۰۰ ولت در متر برسد، این بهبودها مشکلات را تقریباً به میزان دو سوم کاهش می‌دهند. این امر تفاوت بزرگی در حفظ ارتباطات قابل اعتماد در محیط‌های شهری شلوغ ایجاد می‌کند.

طرح‌های محافظ چندلایه که مشکلات تداخل را کاهش می‌دهند

برای مقابله با تداخل الکترومغناطیسی فرکانس بالا در باندهای 5G، تولیدکنندگان از معماری‌های محافظ لایه‌ای استفاده می‌کنند که شامل ترکیبی از ورقه، بافت و مواد ترکیبی هستند:

طراحی‌های چندلایه در باندهای میلی‌متری، عملکردی 2.5 برابر بهتر از کابل‌های تک‌شیلد دارند که بر اساس یک مطالعه مقایسه‌ای محافظت الکترومغناطیسی از 120 سایت سلولی به دست آمده است.

تحلیل اختلاف نظر: خطرات PIM در کابل‌های هم‌محوری RF با اسمبله ضعیف

اگرچه محافظت الکترومغناطیسی (شیلدینگ) مقاومت در برابر EMI را بهبود می‌بخشد، اما اتصال نادرست می‌تواند منجر به تداخل غیرفعال چندفرکانسی (PIM) شود؛ جایی که اتصالات خورده شده یا اتصالات شل، سیگنال‌های ناخواسته تولید می‌کنند. مطالعات صنعتی نشان می‌دهند که 31 درصد از خرابی‌های میدانی در شبکه‌های متراکم ناشی از PIM است و نه نقص در شیلد، که اهمیت اسمبله دقیق را برجسته می‌کند.

داده‌های میدانی: نرخ کاهش EMI با استفاده از کابل‌های دوبل شیلد

در آزمایش‌های سال 2023، استقرار کابل‌های هم‌محوری RF دوبل شیلد در ایستگاه‌های پایه ماکروسل، موجب کاهش 42 درصدی مجدد ارسال سیگنال‌های ناشی از EMI شد. شبکه‌هایی که از کابل‌های 90 دسی‌بلی استفاده کردند، نسبت به طرح‌های استاندارد 60 دسی‌بلی، نسبت سیگنال به نویز (SNR) 12 درصد بالاتری داشتند که موثر بودن این کابل‌ها را در مناطق پرتحریف مانند ورزشگاه‌ها و مراکز حمل‌ونقل نشان می‌دهد.

محدوده فرکانس، توان مجاز و انعطاف‌پذیری در شبکه‌های مدرن

محدوده فرکانس عملیاتی و توان مجاز کابل‌های RF در سیستم‌های زیر 6 گیگاهرتز و mmWave

کابل‌های هم‌محور RF عملکرد ثابتی در تمام محدوده فرکانسی موجود در ایستگاه‌های پایه امروزی دارند و طیف را از نوارهای زیر ۶ گیگاهرتز در حدود ۳٫۳ تا ۷٫۱ گیگاهرتز تا محدوده‌های بالای فرکانسی mmWave بین ۲۴ تا ۴۰ گیگاهرتز پوشش می‌دهند. این کابل‌ها مواد خاصی درون خود دارند که اتلاف سیگنال را به حداقل رسانده و دقیقاً مقاومت ۵۰ اهمی لازم برای انتقال کارآمد توان را حفظ می‌کنند، حتی در شرایطی که با سیگنال‌های قدرتمند تا ۵ کیلووات در سیستم‌های بزرگ تاورهای سلولی سروکار دارند. در مورد کاربردهای mmWave، تولیدکنندگان به طور فزاینده‌ای به عایق فوم پلی‌اتیلن پر شده با نیتروژن روی می‌آورند، نه به ماده PTFE معمولی. بر اساس یافته‌های منتشر شده سال گذشته در گزارش زیرساخت بی‌سیم، این تغییر در واقع حدود ۱۷ درصد به کاهش اتلاف سیگنال کمک می‌کند و این کابل‌ها را بسیار مناسب‌تر می‌سازد تا انتقالات چالش‌برانگیز فرکانس بالاتر را مدیریت کنند.

کاربردهای کابل‌های RF در مخابرات و ایستگاه‌های پایه تحت بار بالا

در محیط‌های شهری که بیش از ۵۰٬۰۰۰ اتصال همزمان را پردازش می‌کنند، کابل‌های هم‌محوری RF با دو لایه محافظ، ۹۸٫۶٪ یکپارچگی سیگنال را در شرایط بار اوج حفظ می‌کنند. ساختار مقاوم به خمش آن‌ها امکان مسیریابی فشرده در کانال‌های کابلی و برج‌ها را فراهم می‌آورد و نسبت به راه‌حل‌های موج‌بر صلب، مزیت مشخصی دارد.

روند: افزایش تقاضا برای راه‌حل‌های هم‌محوری پهن‌باند در ایستگاه‌های پایه چند بانده

همه‌چه بیشتر اپراتورهای شبکه به کابل‌های هم‌محور RF پهن‌باند روی می‌آورند که در محدوده فرکانسی ۱٫۷ تا ۷٫۵ گیگاهرتز کار می‌کنند. این کابل‌ها به آن‌ها امکان می‌دهند شبکه‌های ۴G، ۵G و LTE خود را در یک خط تغذیه واحد ترکیب کنند، نه در چندین خط جداگانه. صرفه‌جویی در هزینه از این راه‌اندازی می‌تواند قابل توجه باشد، حدود ۲۳ درصد طبق گزارش اتحادیه پهن‌باند سیار از سال ۲۰۲۳. علاوه بر این، این سیستم‌ها فضایی برای رشد فراهم می‌کنند، چون قادر به پشتیبانی از فرکانس‌های تا ۱۰ گیگاهرتز در آینده هستند. در آینده‌ای دورتر، چیز جالبی در طراحی کابل‌های ترکیبی (هیبریدی) که از دی‌الکتریک‌های با فضای هوایی استفاده می‌کنند، در حال وقوع است. این کابل‌های جدید شروع به ظاهر شدن در کاربردهایی کرده‌اند که به اتصالات بک‌هال mmWave فوق پهن‌باند بالاتر از ۲۸ گیگاهرتز نیاز دارند.

بخش سوالات متداول

کابل‌های هم‌محور RF چه کاربردی دارند؟

کابل‌های هم‌محور RF برای انتقال سیگنال‌های فرکانس رادیویی در زیرساخت‌های مخابراتی، از جمله شبکه‌های سلولی و ایستگاه‌های پایه، استفاده می‌شوند.

چرا برای اتصالات آخرین مایل، کابل‌های هم‌محور نسبت به فیبر ترجیح داده می‌شوند؟

کابل های کواکسیال به دلیل نسبت هزینه به عملکرد و مقاومت در برابر آب و هوا، در اتصال های آخرین مایل از فیبر ترجیح می دهند.

کابل های هم محوری RF چه محدوده فرکانسی را پوشش می دهند؟

کابل های هم محوری RF محدوده فرکانس از DC تا 110 گیگاهرتز را پوشش می دهند، که آنها را برای کاربردهای مختلف مناسب می کند.

تاثیر پایان نامناسب بر کابل های هم محوری RF چیست؟

پایان نامناسب می تواند منجر به انترمودولاسیون منفعل (PIM) شود، که باعث ایجاد سیگنال های ناخواسته و کاهش قابلیت اطمینان می شود.

چگونه طرح های محافظ بر عملکرد در محیط های فشرده RF تأثیر می گذارد؟

طرح های محافظ با چندین لایه (فایل، تراخت، مواد کامپوزیت) مشکلات تداخل را کاهش می دهد و مقاومت EMI را در محیط های فشرده RF بهبود می بخشد.