وبلاگ

نقش اجزای غیرفعال در سیستم‌های RF و مخابرات

درک اجزای غیرفعال در سیستم‌های RF و مخابرات

مولفه‌های غیرفعال، اجزای اصلی سیستم‌های RF و مخابراتی هستند که امکان شکل‌دهی سیگنال را بدون ایجاد بهره یا کنترل فعال فراهم می‌کنند. برخلاف اجزای فعال مانند ترانزیستورها یا تقویت‌کننده‌ها، عناصر غیرفعال مانند مقاومت‌ها، خازن‌ها و سلف‌ها تنها از طریق تعاملات میدان الکترومغناطیسی کار می‌کنند. عملکردهای اصلی آن‌ها شامل موارد زیر است:

• تطبیق امپدانس : انتقال بهینه توان بین مراحل مختلف مداری را فراهم کند.
• فیلترینگ : مسدود کردن فرکانس‌های ناخواسته در حالی که صحت سیگنال حفظ می‌شود.
• ذخیره انرژی : نگه‌داشتن موقت بار یا انرژی مغناطیسی برای زمان‌بندی و ثبات.

این اجزای نقش ضروری در شکل‌دهی رفتار سیگنال‌ها دارند، به‌ویژه در محیط‌های فرکانس بالا که اتلاف ناچیز درج و تطبیق دقیق امپدانس تعیین‌کننده کارایی سیستم است.

توزیع و ترکیب سیگنال در شبکه‌های مخابراتی

مولفه‌های غیرفعال مانند تقسیم‌کننده‌های توان در شبکه‌های مخابراتی امروزی اهمیت زیادی دارند، به‌ویژه در توزیع سیگنال‌ها در سیستم‌های چندآنتنی و واحدهای رادیویی توزیع‌شده که امروزه در همه‌جا دیده می‌شوند. وقتی یک سیگنال RF وارد یک ایستگاه پایه می‌شود، معمولاً نیاز است که به چندین مسیر مختلف تقسیم شود تا بتواند به تمام آنتن‌ها یا نصب‌های سلولی کوچک برسد، بدون اینکه زمان‌بندی بین آن‌ها به هم بخورد. بیشتر مهندسان از مدارهای تزویج جهت‌دار یا تقسیم‌کننده‌های ویلکینسون برای این کار استفاده می‌کنند. این دستگاه‌ها می‌توانند سیگنال‌ها را تا نسبت 1:32 تقسیم کنند و افت درونی را در حدود 0.5 دسی‌بل حفظ کنند، مطابق با اندازه‌گیری‌های انجام‌شده در نوار فرکانسی 3.5 گیگاهرتز در آزمایش‌های میدانی سال گذشته. بررسی نحوه کار زیرسیستم‌های RF در زیرساخت بی‌سیم فعلی نشان می‌دهد که این مولفه‌های غیرفعال ساده تأثیر بزرگی بر ظرفیت و زمان پاسخ‌دهی شبکه‌های 5G دارند، چرا که این امکان را فراهم می‌کنند تا تکنیک‌های مانند تشکیل پرتو و تجمیع حامل انجام شوند. چالش برای طراحان، یافتن ترکیب مناسب بین میزان توان قابل تحمل توسط این مولفه‌ها و اندازه کوچک آن‌ها است، به‌ویژه در مناطق شهری شلوغ که فرکانس‌های mmWave نیازمند مولفه‌هایی هستند که در فضاهای بسیار تنگ جا می‌شوند.

چگونگی کارکرد تقسیم‌کننده‌های توان: عملکرد اصلی و ویژگی‌های کلیدی

وظیفه تقسیم‌کننده‌های توان در توزیع سیگنال

تقسیم‌کننده‌های توان در اصل اجزای غیرفعال هستند که در سراسر شبکه‌های مخابراتی مورد استفاده قرار می‌گیرند. آنها سیگنال فرکانس رادیویی ورودی را گرفته و آن را به چندین مسیر خروجی تقسیم می‌کنند در حالی که امپدانس را متعادل نگه می‌دارند. وظیفه اصلی این دستگاه‌ها، پخش یکنواخت سیگنال‌ها در بخش‌های مختلف شبکه از جمله آنتن‌های معمولی، سیستم‌های پیشرفته آنتن توزیع‌شده که به آن DAS می‌گوییم و همچنین ایستگاه‌های پایه است. در زمان راه‌اندازی شبکه‌های 5G، تکنسین‌ها اغلب نیاز دارند یک سیگنال 3.5 گیگاهرتزی را به دو یا چهار مسیر جداگانه تقسیم کنند تا بتوانند به چندین منطقه همزمان دسترسی پیدا کنند. این امر به ارائه‌دهندگان خدمات مخابراتی کمک می‌کند تا پوشش بهتری داشته باشند و در عین حال ایجاد تداخل اضافی در آینده را جلوگیری کنند.

مقایسه تقسیم‌کننده‌ها و ترکیب‌کننده‌های توان در کاربردهای مخابراتی

مردم اغلب آنها را با هم اشتباه می‌گیرند، اما تقسیم‌کننده‌ها و ترکیب‌کننده‌های توان در واقع کارهای مخالفی انجام می‌دهند. تقسیم‌کننده‌ها سیگنالی که از یک نقطه وارد می‌شود را به چندین نقطه مختلف به‌صورت همزمان ارسال می‌کنند. ترکیب‌کننده‌ها برعکس عمل می‌کنند و سیگنال‌ها را از چندین منبع مختلف دریافت کرده و آنها را در یک مسیر خروجی ترکیب می‌کنند. برخی از مدل‌های تقسیم‌کننده در صورت نیاز می‌توانند به‌عنوان ترکیب‌کننده نیز عمل کنند، به‌ویژه مدل‌های دارای قابلیت دوطرفه. به عنوان مثال، کوپلرهای ترکیبی (هیبریدی)، این دستگاه‌ها اجازه می‌دهند سیگنال‌های دو فرستنده جداگانه در یک نقطه اتصال آنتن ترکیب شوند. نکته واقعاً مهم در اینجا این است که این دستگاه‌ها سیگنال‌های جداگانه را از یکدیگر مجزا نگه می‌دارند. این موضوع در مکان‌هایی که سیگنال‌های بی‌سیم زیادی در کنار هم فشرده شده‌اند، مانند مناطق شهری بزرگ، بسیار مهم است، چرا که در غیر این صورت تمام این سیگنال‌ها با یکدیگر تداخل پیدا می‌کنند.

شاخص‌های کلیدی عملکرد: نسبت تقسیم، اتلاف درجی و ایزولاسیون

سه شاخص کارایی تقسیم‌کننده را مشخص می‌کنند:

• نسبت تقسیم : توزیع خروجی را توصیف می‌کند (مثلاً 1:2 برای تقسیم مساوی).
• از دست دادن درج : کاهش توان سیگنال از طریق دستگاه، معمولاً 0.1–3 دسی‌بل در واحدهای با کیفیت بالا. مطالعات صنعتی نشان می‌دهند که اتلاف کمتر از 1 دسی‌بل، کارایی انرژی شبکه را 12–18 درصد افزایش می‌دهد (انستیتوی Ponemon، 2023).
• منزوی شدن : از نشت سیگنال بین پورت‌های خروجی جلوگیری می‌کند، در مدل‌های حرفه‌ای بیش از 20 دسی‌بل است تا تداخل در سیستم‌های چند حاملی را جلوگیری کند.

: این پارامترها به‌طور مستقیم قابلیت اطمینان شبکه را تحت تأثیر قرار می‌دهند، به‌ویژه در پیاده‌سازی‌های 5G mmWave که یکپارچگی سیگنال از اهمیت بالایی برخوردار است.

: انواع و مبادله‌های طراحی در تقسیم‌کننده‌های توان RF

: تقسیم‌کننده‌های توان RF اجزای غیرفعال هستند که نقش کلیدی در مدیریت یکپارچگی سیگنال در سیستم‌های مخابراتی دارند، به‌طوری که عملکرد آن‌ها مستقیماً به انتخاب‌های طراحی وابسته است. در ادامه به بررسی انواع اصلی، مبادله‌های فنی و تأثیرات عملیاتی آن‌ها می‌پردازیم.

: انواع متداول تقسیم‌کننده‌های توان: ویلکینسون، جهت‌دار و مقاومتی

: سه معماری اصلی تقسیم‌کننده توان RF هر کدام نقش‌های متمایزی را ایفا می‌کنند:

• : تقسیم‌کننده‌های ویلکینسون برای تقسیم سیگنال‌ها در حالی که ایزوله‌سازی پورت حفظ می‌شود از ترانسفورماتورهای ربع موجی استفاده کنید، که آن‌ها را برای کاربردهای با فرکانس بالا مانند آرایه‌های آنتن 5G مناسب می‌کند. یک مطالعه انجام شده در سال 2024 روی سیستم‌های RF بر روی اتلاف اضافه‌شده کم (معمولاً <0.3 دسی‌بل) و توانایی تحمل سطوح توان تا 100 وات آن‌ها تأکید کرده است.
• تقسیم‌کننده‌های جهت‌دار برای مسیریابی انتخابی سیگنال از خطوط انتقال تزویج‌شده استفاده می‌کنند که اغلب در جفت‌سازی تقسیم‌کننده فرکانسی به کار می‌روند.
• تقسیم‌کننده‌های مقاومتی باند عریض و اندازه کوچک ارائه می‌دهند اما ایزوله‌سازی را از دست می‌دهند (اغلب <20 دسی‌بل)، که استفاده از آن‌ها را در تجهیزات تست با توان پایین محدود می‌کند.

اتلاف اضافه‌شده و ایزوله‌سازی: تأثیر روی بهره‌وری شبکه

اتلاف اضافه‌شده (2 تا 3 دسی‌بل در تقسیم‌کننده‌های تجاری) به طور مستقیم بهره‌وری شبکه را کاهش می‌دهد، در حالی که ایزوله‌سازی ناکافی (هدف >30 دسی‌بل برای 5G) باعث نشت سیگنال بین پورت‌ها می‌شود. به عنوان مثال، یک اتلاف 1 دسی‌بلی در یک آرایه MIMO گسترده 64T64R می‌تواند بهره‌وری لبه سلولی را تا 15–20% کاهش دهد، طبق آزمایش‌های اخیر میدانی.

تعادل در طراحی: اندازه کوچک در مقابل ایزوله‌سازی بالا و تحمل توان

کوچک‌کردن تقسیم‌کننده‌ها برای سلول‌های کوچک اغلب مهندسان را مجبور می‌کند تا 10–15٪ توان کمتری را تحمل کنند یا 5–8 دسی‌بل کاهش در ایزولاسیون بپذیرند. زیرلایه‌های پیشرفته مانند GaN-on-SiC به کاهش این تلفات کمک می‌کنند و امکان طراحی تقسیم‌کننده‌های ویلکینسون 40٪ کوچک‌تر را بدون فدا کردن عملکرد در 2.4 گیگاهرتز در دستگاه‌های mmWave ا recents فراهم می‌کنند.

کاربردهای تقسیم‌کننده‌های توان در 5G و زیرساخت‌های بی‌سیم مدرن

تقسیم‌کننده‌های توان در ایستگاه‌های پایه 5G و سلول‌های کوچک

متصل‌کننده‌های توان، بخش‌های ضروری هر سیستم 5G هستند و در توزیع صحیح سیگنال‌ها درون سیستم‌های بزرگ آنتن MIMO که امروزه همه‌جا دیده می‌شوند، نقش دارند. امروزه، بیشتر ایستگاه‌های پایه به آنها متکی هستند تا بتوانند سیگنال‌های با فرکانس بالا را به‌طور یکنواخت به حدود 64 یا حتی 128 نقطه آنتن مختلف تقسیم کنند. این امر به حفظ پوشش یکنواخت در سراسر یک منطقه کمک می‌کند و اطمینان حاصل می‌کند که پرتوها دقیقاً به جایی که باید بروند، هدایت شوند. در مورد نصب سلول‌های کوچک در شهرهای شلوغ، نسخه‌های کوچک این متصل‌کننده‌ها اهمیت زیادی پیدا می‌کنند. این متصل‌کننده‌ها باعث کاهش مشکلات اتلاف سیگنال می‌شوند و در عین حال در فضاهای تنگ چون بالای چراغ‌های خیابانی یا دیوارهای ساختمان‌ها جا می‌گیرند که فضای محدودی برای کارمندان مخابراتی در نصب تجهیزات وجود دارد.

استقرار در شبکه‌های 5G mmWave

فرکانس‌های موج میلی‌متری بالای 24 گیگاهرتز واقعاً با مشکلات انتشار مانند جذب شدن توسط جو و پراش ضعیف در اطراف موانع مواجه هستند. برای این نوارهای فرکانسی بالا، مهندسان از تقسیم‌کننده‌های توان استفاده می‌کنند که با تقسیم سیگنال‌ها، از اتلاف سیگنال جلوگیری می‌کنند و به آنتن‌های آرایه‌ای که می‌توانند پرتوهای خود را دقیقاً به جایی که نیاز است هدایت کنند، کمک می‌کنند. به عنوان مثال یک ایستگاه پایه 5G استاندارد 28 گیگاهرتزی را در نظر بگیرید. این ایستگاه‌ها معمولاً به تقسیم‌کننده‌های توان ویلکینسون متکی هستند تا تعادل ظریفی بین ایزولاسیون خوب (بیش از 20 دسی‌بل) و نگه داشتن اتلاف درج دخول در حدود 0.3 دسی‌بل برقرار کنند. این ساختار امکان حفظ نرخ داده مناسب را حتی در پوشش فواصلی در حدود 200 متر فراهم می‌کند، هرچند همه می‌دانند که موج میلی‌متری همچنان در بیشتر موارد به دید مستقیم و بدون مانع نیاز دارد.

چالش‌های مدیریت سیگنال در سیستم‌های مخابراتی فرکانس بالا

در سیستم‌های 5G با فرکانس بالا، تقسیم‌کننده‌های توان باید بتوانند شرایط حرارتی شدید را تحمل کنند و در عین حال میزان بازگشت تلفات (return loss) را در زیر -15 دسی‌بل نگه دارند تا از ناهمخوانی‌های امپدانسی مضر جلوگیری شود. هنگام کار در فرکانس‌های حدود 39 گیگاهرتز، تفاوت‌های فازی کوچک به میزان کمتر از 5 درجه بین سیگنال‌های خروجی می‌توانند الگوهای پرتویی را به شدت بهم بزنند. این نوع اعوجاج در واقع ظرفیت شبکه را به میزان 30 تا 40 درصد کاهش می‌دهد، مطابق تحقیقات انجام شده توسط Ponemon در سال 2023. بهترین طراحی‌های فعلی شروع به استفاده از مواد جبران‌کننده دمایی و همچنین اتصال‌دهنده‌های روکش‌دار از جنس طلا کرده‌اند. این قطعات به حفظ عملکرد مناسب سیستم حتی در شرایطی که دمای محیط در طول سال بیش از 50 درجه سانتی‌گراد نوسان داشته باشد کمک می‌کنند، که این اتفاق در بسیاری از مکان‌های نصب به وقوع می‌پیوندد.

با حل این موانع فنی، تقسیم‌کننده‌های توان همچنان نقشی ضروری در گسترش زیرساخت‌های 5G برای دستیابی به سرعت‌های پیش‌بینی شده 10 گیگابیت بر ثانیه و تاخیری کمتر از 1 میلی‌ثانیه ایفا می‌کنند.

روند آینده: یکپارچه‌سازی تقسیم‌کننده‌های توان در دستگاه‌های غیرفعال یکپارچه (IPD) و ماژول‌های کوچک‌شده

دستگاه‌های غیرفعال یکپارچه (IPD): رشد بازار و کاربردهای مخابراتی

شرکت‌های مخابراتی به سرعت در حال حرکت به سمت سیستم‌های شبکه کوچک‌تر و کارآمدتر هستند، چیزی که محبوبیت دستگاه‌های غیرفعال یکپارچه (IPD) را در روزهای امروزی توضیح می‌دهد. این ماژول‌های نیمه‌هادی کوچک، اجزایی مانند تقسیم‌کننده‌های توان، فیلترها و تزویج‌گرهای را در یک زیرلایه تجمیع می‌کنند. نتیجه چیست؟ ایستگاه‌های پایه به حدود ۴۰ و حتی گاهی تا ۶۰ درصد قطعات کمتری نسبت به گذشته نیاز دارند و همچنین گرمای کمتری تولید می‌کنند. به طور پیش‌بینی‌شده، با گسترش همچنان ادامه‌دار ۵G در سراسر کشور، کارشناسان بازار فکر می‌کنند که تقاضا برای IPD در حوزه مخابرات تا سال ۲۰۲۸ احتمالاً هر سال حدود ۱۹ درصد افزایش خواهد یافت. کوچک‌سازی ماژول‌های RF همچنان یکی از عوامل اصلی محرک این روند است، طبق نظر اکثر تحلیل‌گران صنعتی.

تقسیم‌کننده‌های توان به عنوان اجزای جاسازی‌شده در ماژول‌های RF پیشرفته

تولیدکنندگان برجسته اکنون مدارهای تقسیم‌کننده توان را به‌صورت مستقیم در تقویت‌کننده‌های RF نیترید گالیوم (GaN) جاسازی می‌کنند، این امر امکان استفاده از مدول‌های دوکاره را فراهم می‌کند که در مقایسه با سیستم‌های گسسته 30٪ فضای کمتری روی برد مدار چاپی (PCB) اشغال می‌کنند. این رویکرد طراحی همگام، باعث بهبود تطبیق امپدانس در فرکانس‌های mmWave شده و اتلاف ورودی (insertion loss) را در آنتن‌های آرایه‌ای فازی 28 گیگاهرتزی به میزان 0.8 تا 1.2 دسی‌بل کاهش می‌دهد.

تعادل بین کوچک‌سازی و عملکرد در طراحی‌های مبتنی بر IPD

در حالی که IPDها صرفه‌جویی بی‌سابقه‌ای در فضا فراهم می‌کنند، طراحان با موانعی میان مقاومت (-25 دسی‌بل حداقل برای شبکه‌های 5G) و اندازه بسته‌بندی کمتر از 2.5 میلی‌متر مربع مواجه هستند. پیشرفت‌های اخیر در زمینه ادغام خازن‌های فیلم نازک و حفاظت از طریق سبک‌های زیرلایه‌ای، معیارهای مقاومت را در مدارهای تقسیم‌کننده توان IPD تولیدی به -32 دسی‌بل در فرکانس 39 گیگاهرتز افزایش داده‌اند.

‫سوالات متداول‬

اجزای غیرفعال در سیستم‌های RF و مخابراتی چیست؟

مولفه‌های غیرفعال، بلوک‌های اساسی در سیستم‌های RF و مخابراتی هستند که عناصری مانند مقاومت‌ها، خازن‌ها و سلف‌ها را شامل می‌شوند. آن‌ها وظایف مهمی مانند تطبیق امپدانس، فیلتر کردن و ذخیره انرژی را بدون ایجاد بهره یا کنترل فعال انجام می‌دهند.

تقسیم‌کننده‌های توان در شبکه‌های مخابراتی چگونه کار می‌کنند؟

تقسیم‌کننده‌های توان برای تقسیم یک سیگنال فرکانس رادیویی ورودی به چندین مسیر خروجی در حال حفظ تعادل امپدانس استفاده می‌شوند. این ابزارها در توزیع یکنواخت سیگنال‌ها در شبکه‌های مخابراتی، به‌ویژه در پیکربندی‌های 5G بسیار حیاتی هستند.

تفاوت بین تقسیم‌کننده‌های توان و ترکیب‌کننده‌ها چیست؟

تقسیم‌کننده‌های توان یک سیگنال ورودی را به چندین مسیر تقسیم می‌کنند، در حالی که ترکیب‌کننده‌ها سیگنال‌های چندین منبع را در یک مسیر خروجی ترکیب می‌کنند. برخی دستگاه‌ها مانند کوپلرهای ترکیبی می‌توانند هر دو عملکرد را انجام دهند.

چرا اتلاف درونی در تقسیم‌کننده‌های توان RF اهمیت دارد؟

اتلاف درج نشان دهنده کاهش توان سیگنال در هنگام عبور از یک تقسیم کننده است. اتلاف درج کمتر، بهره وری انرژی شبکه و عملکرد سیستم را به خصوص در کاربردهای با فرکانس بالا بهبود می بخشد.

چه روندهای آینده ای طراحی تقسیم کننده توان RF را تحت تأثیر قرار می دهند؟

ادغام تقسیم کننده های توان در ماژول های کوچک شده و IPD ها یک روند مهم است که باعث بهبود بهره وری و کاهش تعداد قطعات مورد نیاز در سیستم های مخابراتی می شود.