وبلاگ

محافظت عالی و مقاومت در برابر نویز در کابل‌های هممحور RF

ساختار مرکزی کابل‌های هممحور RF

کابل‌های هممحور RF از طریق یک طراحی لایه‌ای، مقاومت در برابر نویز را به دست می‌آورند: یک هادی مرکزی که توسط عایق دی الکتریک، محافظت و روکش خارجی احاطه شده است. لایه دی الکتریک، تلفات الکتریکی را به حداقل می‌رساند، در حالی که لایه محافظت، یک قفس فارادی ایجاد می‌کند تا از تداخلات خارجی جلوگیری کند.

اثربخشی محافظت در محیط‌های پرنویز

ایستگاه‌های پایه شهری با تداخل الکترومغناطیسی (EMI) ناشی از خطوط برق، فرستنده‌های رادیویی و تجهیزات صنعتی مواجه هستند. محافظت چندلایه با ترکیب پوشش بافته‌شده ۹۵٪ برای سر و صدای فرکانس پایین و لایه‌های فویل که تداخل الکترومغناطیسی فرکانس بالا را منعکس می‌کنند، در برابر این تداخل مقابله می‌کند. آزمایش‌های میدانی نشان می‌دهند که این رویکرد دو لایه‌ای تداخل را در مقایسه با طراحی‌های تک محافظ، ۴۰ تا ۶۰ دسی‌بل کاهش می‌دهد.

محافظت چندلایه و جلوگیری از تداخل

پیکربندی‌های پیشرفته از چهار لایه محافظ استفاده می‌کنند: دو لایه فویل و دو لایه بافته‌شده. فویل خارجی تداخل هوایی EMI را منحرف می‌کند، در حالی که بافت داخلی جریان‌های حلقه زمین را جذب می‌کند. انواع بافت حلقوی مارپیچی انعطاف‌پذیری را بدون قربانی کردن پوشش بهبود می‌بخشند که برای برج‌هایی که نیاز به تعمیر و نگهداری مکرر دارند، حیاتی است.

پوشش بافت و تأثیر دی‌الکتریک بر وضوح سیگنال

تراکم بالاتر بافت، ۱۵ تا ۲۰ درصد عملکرد بهتری در رد سر و صدا در طیف‌های شلوغ فراهم می‌کند. مواد دی‌الکتریک کم‌تلفات مانند پلی‌اتیلن فوم متراکم‌شده با گاز، یکپارچگی سیگنال را حفظ می‌کنند و میزان تضعیف را در ۳ گیگاهرتز به میزان ۰٫۳ دسی‌بل بر متر کاهش می‌دهند.

مطالعه موردی: عملکرد محافظتی در ایستگاه‌های پایه شهری

تحلیل سال ۲۰۲۳ از ۲۰۰ محل شهری نشان داد که کابل‌های هم‌محور RF با محافظت چندلایه، ۹۸٫۷٪ تطابق با نسبت سیگنال به نویز (SNR) را علیرغم نزدیکی به سیستم‌های مترو و سلول‌های کوچک ۵G حفظ کردند. مواردی که از محافظت پایه‌ای استفاده می‌کردند، برای رسیدن به آستانه‌های SNR به ۳۳٪ تکرارکننده بیشتری نیاز داشتند.

اتلاف سیگنال کم در فواصل طولانی با طراحی کابل هم‌محور RF

اتلاف سیگنال در کابل‌های هم‌محور و تضعیف وابسته به فرکانس

کابل‌های هم‌محور RF با مهندسی دقیق، کاهش سیگنال را به حداقل می‌رسانند، به‌طوری‌که تضعیف به‌صورت مستقیم با افزایش فرکانس افزایش می‌یابد. در فرکانس ۹۰۰ مگاهرتز، کابل‌های استاندارد RG-8 در هر ۱۰۰ فوت ۷٫۶ دسی‌بل اتلاف دارند، در حالی‌که در ۵۰ مگاهرتز این مقدار ۱٫۳ دسی‌بل است؛ که نشان می‌دهد فرکانس‌های بالاتر چگونه اتلاف انرژی به‌صورت گرما را تسریع می‌کنند. این الگو لزوم انتخاب کابل بر اساس فرکانس را در کاربردهای ایستگاه پایه برجسته می‌کند.

اتلاف سیگنال کابل هم‌محور (در هر ۱۰ فوت) بر اساس کالیبر و ماده

نوع کابل	۱۸ AWG (دسی‌بل)	۱۴ AWG (دسی‌بل)	ماده دی‌الکتریک
طراحی انعطاف‌پذیر	0.35	0.22	فوم تزریق‌شده با گاز
مس موجدار	0.28	0.15	ترکیب PTFE

هدایت‌کننده‌های ضخیم‌تر 14 AWG در مقایسه با معادل‌های 18 AWG، اتلاف مقاومتی را تا 37٪ کاهش می‌دهند، در حالی که دی‌الکتریک‌های مبتنی بر PTFE در نوسانات دما، امپدانس پایداری را حفظ می‌کنند.

مقایسه کابل‌های انعطاف‌پذیر کم‌اتلاف با کابل‌های مسی موجدار

در مورد کابل‌های هم‌محوری RF، نوع انعطاف‌پذیر حدود ۰٫۰۷ دسی‌بل اتلاف اضافی در هر فوت را قبول می‌کنند، اما در عوض چیز بسیار ارزشمندی به دست می‌آورند: این کابل‌ها می‌توانند تا ۱۸۰ درجه خم شوند. این ویژگی آن‌ها را برای فضاهای بسیار تنگ روی برج‌های ارتباطی که نصب در آن‌ها دشوار است، بسیار مناسب می‌کند. حال کابل‌های موج‌دار مسی به شکل متفاوتی عمل می‌کنند. این کابل‌ها در واقع اتلاف سیگنال را در فرکانس ۶ گیگاهرتز حدود ۰٫۱۳ دسی‌بل در هر فوت کاهش می‌دهند، زیرا هادی خارجی آن‌ها بدون هیچ وقفه‌ای ادامه دارد. برای نصب‌های ماکروسل شهری، بسیاری از نصاب‌ها از ترکیبی از هر دو نوع استفاده می‌کنند. معمولاً کابل‌های موج‌دار را به صورت عمودی از داخل ساختمان عبور می‌دهند، زیرا تحمل بهتری در برابر تغییرات دمایی در محدوده حدود ۲ درجه سانتی‌گراد دارند. سپس در خود آنتن‌ها، به کابل‌های انعطاف‌پذیر (jumper) که پیش‌تر گفتیم، تغییر می‌دهند. این روش زمانی معنا پیدا می‌کند که به این نکته توجه کنیم که این سیستم‌ها باید روز tras از روز به روز به طور قابل اعتماد عمل کنند.

روند: دی‌الکتریک‌های پیشرفته فومی که باعث کاهش تلفات تزریقی می‌شوند

تحقیقات جدید نشان می‌دهد که این دی الکتریک‌های فوم کم‌اتلاف ویژه، در واقع می‌توانند تلفات القایی را به‌طور قابل توجهی کاهش دهند، حدوداً بین ۲۶ تا ۳۰ درصد نسبت به هسته‌های متداول پلی‌اتیلن جامد. نسخه‌های توخالی از نظر عدد ثابت دی الکتریک زیر ۱٫۳ باقی می‌مانند که با توجه به مقاومت آنها در برابر نیروهای بیش از ۵۰۰ نیوتن قبل از فشرده شدن، قابل توجه است. این عملکرد آنها را به گزینه‌ای ایده‌آل برای توسعه شبکه‌های ۵G NR تبدیل می‌کند، چرا که به دستیابی به استاندارد مهم 3GPP که حداکثر تلفات ۳ دسی‌بل در هر ۱۰۰ متر در فرکانس‌های ۲۸ گیگاهرتز را تعیین می‌کند، کمک می‌کند. اکثر تولیدکنندگان درجه یک اکنون شروع به استفاده از این فوم‌های با ضریب شکست تدریجی کرده‌اند، چرا که عملکرد بسیار خوبی در کاهش مشکلات آزاردهنده پاشندگی مدی دارند که در کاربردهای پهن‌باند متنوع در صنایع مختلف رخ می‌دهد.

پایداری امپدانس و VSWR برای انتقال قابل اعتماد سیگنال RF

نسبت موج ایستای ولتاژ (VSWR) و توضیح پایداری امپدانس

کابل‌های هم‌محور RF با کنترل صحیح امپدانس، سیگنال‌ها را قوی نگه می‌دارند. نسبت موج ایستاده ولتاژ، یا به اختصار VSWR، در واقع مقدار سیگنال منعکس شده در صورت عدم تطابق امپدانس را اندازه‌گیری می‌کند. وقتی همه چیز به طور کامل متناسب باشد، خواندن VSWR برابر با ۱:۱ بدست می‌آید. اکثر دکل‌های تلفن همراه مدرن در عمل حدود ۱٫۴ تا ۱٫۵ نسبت دارند. اگر مشکلاتی پیش آمده و به جای آن VSWR برابر با ۲:۱ مشاهده شود، حدود ۱۱ درصد از توان به جای رسیدن به مقصد، مستقیماً به عقب بازمی‌گردد. این نوع تلفات با گذشت زمان به سرعت افزایش می‌یابد، به ویژه در شبکه‌های ارتباطی بزرگ.

حفظ امپدانس ۵۰ اهم برای سازگاری با ایستگاه پایه

شرکت‌های مخابراتی تقریباً به‌طور کامل بر روی ۵۰ اهم به عنوان استاندارد امپدانس خود قرار داده‌اند تا اطمینان حاصل شود که کابل‌های هم‌محور RF با تمام آنتن‌های پایه‌ای موجود به‌خوبی کار می‌کنند. دلیل این انتخاب در واقع بسیار ساده است. این مقدار تعادل مناسبی بین میزان توانی که این کابل‌ها می‌توانند تحمل کنند و همزمان حفظ سیگنال‌های تمیز و واضح ایجاد می‌کند. تولیدکنندگان این نقطه بهینه را با طراحی دقیق شکل هادی‌ها و انتخاب مواد عایق خاص به دست می‌آورند. بهبودهای اخیر در روش‌های بافت دادن شش‌ضلعی که اخیراً انجام شده است، عملکرد را هنوز بیشتر کرده است. این تکنیک‌های جدید ناهماهنگی‌ها را در فرآیند تولید کاهش می‌دهند و بدین معناست که تفاوت بین کابل‌ها کمتر می‌شود. در نتیجه، اکثر کابل‌های مدرن نسبت VSWR پایداری در حدود ۱٫۳ تا ۱ را در تمام محدوده فرکانسی از ۶۰۰ مگاهرتز تا ۳٫۵ گیگاهرتز حفظ می‌کنند. این سطح از ثبات کار مهندسان در نصب شبکه‌ها را بسیار آسان‌تر می‌کند.

تأثیر واقعی نسبت موج ایستای ولتاژ ضعیف بر بازده فرستنده

با بررسی داده‌های جمع‌آوری شده در سال ۲۰۲۴، مشاهده می‌شود که در ایستگاه‌های پایه‌ای که نسبت موج ایستای ولتاژ (VSWR) از ۲:۱ فراتر می‌رود، حدود ۲۲ درصد افزایش خرابی تقویت‌کننده‌ها در دوره پنج ساله رخ می‌دهد. هنگامی که توان منعکس‌شده‌ای در سیستم وجود دارد، فرستنده‌ها عملاً باید سخت‌تر کار کنند و تنها برای حفظ عملکرد مناسب، خروجی خود را حدود ۱۷ درصد افزایش دهند. این تلاش اضافی به پول واقعی نیز تبدیل می‌شود و هزینه‌های ماهانه هر سایت سلولی شهری حدود ۷۴ دلار افزایش می‌یابد. خوشبختانه مدارهای جدید تطبیق امپدانس تأثیر قابل توجهی دارند. این سیستم‌ها می‌توانند نسبت موج ایستای ولتاژ (VSWR) را حتی در شرایط تغییرات شدید دما از ۴۰- درجه سانتی‌گراد تا ۸۵+ درجه سانتی‌گراد در محدوده مثبت و منفی ۰٫۰۵ پایدار نگه دارند. این سطح از پایداری تفاوت چشمگیری در حفظ عملکرد قابل اعتماد شبکه در شرایط دشوار ایجاد می‌کند.

کاهش اعوجاج ترکیبی غیرخطی (PIM) در شبکه‌های RF غیرفعال

ایزحراف تداخلی (PIM) در نظر‌انداز کلی اجزای غیرفعال

ایزحراف تداخلی غیرفعال یا به اختصار PIM زمانی رخ می‌دهد که چندین سیگنال قدرت بالای RF درون اجزای غیرفعالی مانند کابل‌های هم‌محور (کواکسیال) با یکدیگر ترکیب شوند. این برهمکنش‌ها سیگنال‌های تداخلی ناخواسته‌ای ایجاد می‌کنند که عملکرد کلی شبکه را مختل می‌کنند. مطالعات نشان می‌دهند که اگر توان فرستنده تنها ۱ دسی‌بل افزایش یابد، PIM حدود ۳ دسی‌بل افزایش می‌یابد. این امر باعث می‌شود نصب‌های جدید 5G به ویژه در معرض خطر قرار گیرند، زیرا این سیستم‌ها در محدوده‌های بسیار گسترده‌تری از فرکانس کار می‌کنند. برای اینکه سیستم‌های LTE امروزی به درستی کار کنند، سطح PIM باید پایین‌تر از 169- دسی‌بلc باقی بماند تا گیرنده‌ها بتوانند همچنان سیگنال‌ها را تا حساسیت 126- دسی‌بلm دریافت کنند. به همین دلیل، تولیدکنندگان موظفند دستورالعمل‌های بسیار دقیقی را در مورد مواد مورد استفاده و روش‌های ساخت کابل‌های هم‌محور RF رعایت کنند، که این امر به ویژه در مناطق شلوغ شهری که کیفیت سیگنال اهمیت بیشتری دارد، بسیار مهم است.

کابل هم‌محور و PIM: نحوه تأثیر مواد و اتصالات

اثرات غیرخطی در نقاط تماس فلز به فلز، عامل ۷۸٪ موارد PIM هستند. عوامل کلیدی عبارتند از:

• کانکتورهای نیکل‌پوشش داده شده، که ۴۰٪ بیشتر از انواع پوشش‌دار نقره‌ای PIM تولید می‌کنند
• سپرهای کابل با ریل‌بندی نامناسب که باعث ایجاد نویز در فرکانس‌های ۲٫۴ گیگاهرتز و بالاتر می‌شوند
• هندسه‌های بافت شل که منجر به کاهش ۱۵ تا ۲۰ دسی‌بلی در عملکرد PIM نسبت به طراحی‌های قالب‌گیری شده تحت فشار می‌شوند

تحلیل اختلاف نظر: آیا تمام کابل‌های کم-PIM ارزش هزینه‌ی بالای خود را دارند؟

اگرچه کابل‌های برتر کم-PIM در محیط‌های آزمایشگاهی تداخل را ۳۰ تا ۴۵ دسی‌بل کاهش می‌دهند، اما مزایای واقعی آنها متغیر است:

سناریوی نصب	PIM کابل استاندارد	بهبود کابل کم-PIM	دوره بازگشت سرمایه
سلول‌های ماکرو شهری	-120 دسی‌بل در هرتز	-150 دسی‌بل در هرتز (ظرفیت 25%)	18 ماه
سلول‌های کوچک روستایی	-135 دسی‌بل در هرتز	-155 دسی‌بل در هرتز (ظرفیت 8%)	5+ سال

این تفاوت باعث بحث‌هایی در مورد آستانه‌های اقتصادی PIM برای محیط‌های نصب مختلف می‌شود.

پارادوکس صنعت: قابلیت اطمینان بالا در مقابل حساسیت به PIM در شبکه‌های متراکم

تلاش‌ها برای دستیابی به زمان کارکرد 99.999% با فیزیک PIM در تضاد است؛ مسیرهای کابلی افزونه تعداد اتصالات فلزی را 60% افزایش می‌دهند و به‌طور بالقوه خطر خرابی‌های مرتبط با PIM را افزایش می‌دهند. در نتیجه، طراحی‌های جدید ایستگاه‌های پایه، نظارت متمرکز بر PIM را نسبت به تکثیر سخت‌افزار افزونه اولویت می‌دهند.

استراتژی: کاهش PIM از طریق روش‌های بهینه نصب

مطالعات میدانی تأیید می‌کنند که نصب صحیح، قطعی‌های مرتبط با PIM را 53% کاهش می‌دهد:

• استفاده از آچارهای محدودکننده گشتاور برای تنظیم محکم اتصالات در محدوده 35 تا 40 اینچ-پوند
• انجام آزمایش‌های جاروبی دو سالانه PIM با توان انتقال 43 دسیبل-میلی وات
• اجتناب از خم کردن کابل‌ها به شعاع کمتر از 4 برابر شعاع خمش مجاز در نزدیکی آرایه‌های آنتن

این پروتکل‌ها به حفظ عملکرد کمک می‌کنند بدون اینکه نیاز به تعویض کامل قطعات کم-PIM ایجاد شود.

محدوده فرکانس، توان تحمل و دوام محیطی

محدوده فرکانس و صحت سیگنال در واحدهای مدرن باند پایه

کابل‌های هممحور RF پهنای باند گسترده‌ای را پشتیبانی می‌کنند که برای سیستم‌های 5G و قدیمی ضروری است، به‌طوری‌که نیاز به عملیات در محدوده 600 مگاهرتز تا 42 گیگاهرتز در ایستگاه‌های پایه مدرن وجود دارد. کابل‌های با عملکرد بالا، تضعیف کمتر از 4 دسیبل در هر 100 فوت را در فرکانس 6 گیگاهرتز حفظ می‌کنند. طراحی این کابل‌ها اعوجاج فاز را به حداقل می‌رساند و امکان انتقال همزمان سیگنال‌های کنترلی با فرکانس پایین (1 تا 3 گیگاهرتز) و امواج میلی‌متری با پهنای باند بالا (>24 گیگاهرتز) را فراهم می‌کند.

ظرفیت توان تحمل کابل‌های هممحور تحت بار پیوسته

توان مجاز بستگی به اندازه هادی و پایداری دی‌الکتریک دارد. به عنوان مثال، کابل‌های نیم اینچی توان مداوم 300 وات را تحمل می‌کنند (با کاهش 30٪ در دمای 40 درجه سانتی‌گراد)، در حالی که طراحی‌های هفت‌هشتم اینچی تا حداکثر 2000 وات بار اوج را تحمل می‌کنند. موارد کلیدی شامل:

• محدودیت مواد : آلومینیوم روکش‌شده مسی برای عملیات مداوم تا 150 درجه سانتی‌گراد مناسب است
• توان اوج در مقابل توان متوسط : حاشیه ایمنی 5 به 1 از شکست دی‌الکتریک در طول نوسانات ولتاژ جلوگیری می‌کند

مدیریت حرارتی در نصب‌های بیرونی با توان بالا

هنگام راه‌اندازی ایستگاه‌های پایه بیرونی، مهم است که از کابل‌هایی استفاده شود که بتوانند دماهای بسیار سرد تا ۵۵- درجه سانتی‌گراد و همچنین دماهای بالا تا ۱۲۵ درجه سانتی‌گراد را تحمل کنند. روکش PTFE (پلی‌تترافلوئورواتیلن) باعث می‌شود کابل‌ها حتی در دماهای پایین‌تر از نقطه انجماد (حدود ۴۰- درجه سانتی‌گراد) نیز انعطاف‌پذیر بمانند و همچنین در برابر آسیب‌های ناشی از تابش طولانی‌مدت نور خورشید مقاومت خوبی داشته باشند. بر اساس تحقیقات انجام‌شده در سال ۲۰۲۳، استفاده از محافظ ترکیبی از فویل و بافت به جای تنها یک لایه، دمای داخلی تجهیزات را پس از انجام آزمون‌های بارگذاری مداوم به مدت سه روز کامل، حدود ۱۸ درجه سانتی‌گراد کاهش می‌دهد. در مواردی که قابلیت اطمینان اهمیت بالایی دارد، مهندسان اغلب راه‌حل‌های خنک‌کنندگی اجباری با هوا را با استانداردهای صنعتی مانند GR-487 ترکیب می‌کنند که نحوه عملکرد تجهیزات تحت چرخه‌های مختلف دمایی در طول عمر عملیاتی آن‌ها را مشخص می‌کند.

‫سوالات متداول‬

• هدف اصلی استفاده از محافظ در کابل‌های هم‌محور RF چیست؟
  هدف اصلی محافظت در کابل‌های هم‌محور RF، مسدود کردن تداخلات خارجی و ایجاد اثر قفس فارادی حوله رسانای مرکزی است.
• محافظت چندلایه چگونه تداخل را در محیط‌های شهری کاهش می‌دهد؟
  محافظت چندلایه با ترکیب پوشش بافت‌بالا برای رد نویز فرکانس پایین و لایه‌های فویل که تداخل الکترومغناطیسی فرکانس بالا را منعکس می‌کنند، تداخل را کاهش می‌دهد.
• چرا کابل‌های انعطاف‌پذیر در نصب‌های خاصی ترجیح داده می‌شوند؟
  کابل‌های انعطاف‌پذیر در فضاهای تنگ که خم شدن و قابلیت مانور مهم است، ترجیح داده می‌شوند، در حالی که کابل‌های مسی موج‌دار اتلاف سیگنال کمتری داشته و عملکرد بهتری در برابر دما ارائه می‌دهند.
• دی‌الکتریک‌های پیشرفته فومی نقش چهارمی در شبکه‌های مدرن RF ایفا می‌کنند؟
  دی‌الکتریک‌های فومی پیشرفته اتلاف درج دسترسی (insertion loss) را به حداقل می‌رسانند و به برآوردن استانداردهای سختگیرانه مانند الزامات 3GPP برای اتلاف حداقل در شبکه‌های 5G کمک می‌کنند.
• VSWR چیست و چرا مهم است؟
  VSWR، نسبت موج ایستای ولتاژ، انعکاس سیگنال را در یک سیستم فرکانس رادیویی (RF) اندازه‌گیری می‌کند. تطبیق صحیح امپدانس، VSWR را به حداقل می‌رساند و انتقال کارآمد سیگنال را تضمین می‌کند.
• PIM چگونه بر شبکه‌های RF غیرفعال تأثیر می‌گذارد و چه اقداماتی می‌توانند تأثیر آن را کاهش دهند؟
  PIM با تولید سیگنال‌های ناخواسته باعث تداخل می‌شود؛ اقدامات مؤثر شامل انتخاب مناسب مواد، روش‌های ساخت اتصالات و پروتکل‌های نصب است.