Blogi

Passiivisten komponenttien rooli RF- ja tietoliikennejärjestelmissä

Passiivisten komponenttien ymmärtäminen RF- ja tietoliikennejärjestelmissä

Passiiviset komponentit muodostavat RF- ja tietoliikennejärjestelmien perusrakennuspalikat, mahdollistaen kriittisen signaalin käsittelyn ilman vahvistusta tai aktiivista säätöä. Aktiivisten komponenttien, kuten transistorien tai vahvistimien, kanssa erottuvat passiiviset elementit, kuten vastukset, kondensaattorit ja käämit, toimivat ainoastaan sähkömagneettisten kenttien vuorovaikutuksen kautta. Niiden pääasialliset toiminnot sisältävät:

• Impedanssin vastaaminen : Tehon tehokkaan siirron varmistamisen piirivaiheiden välillä.
• Suodatus : Epätoivottujen taajuuksien estämisen säilyttäen samalla signaalin eheyden.
• Energian varastointi : Sähkövarauksen tai magneettisen energian tilapäisen varastoinnin ajoitusta ja vakautta.

Nämä komponentit ovat korvaamattomia signaalin käyttäytymisen muokkauksessa, erityisesti korkeilla taajuuksilla, joissa järjestelmän tehokkuus riippuu vähäisestä lisävaimennuksesta ja tarkasta impedanssimatchauksesta.

Signaalin jakaminen ja yhdistäminen tietoliikenneverkoissa

Passiiviset komponentit, kuten tehotasajakkaat, ovat erittäin tärkeitä nykyisissä tietoliikenneverkoissa, kun signaaleja jaetaan monen antennin asennuksissa ja hajautetuissa radiolaitteissa, joita on nyt kaikkialla. Kun RF-signaali saapuu kantatukiasemaan, sitä on yleensä jaettava useille eri poluille, jotta se pääsee kaikkiin antenneihin tai pienten solujen asennuksiin säästämättä niiden välillä olevaa ajoitusta. Useimmat insinöörit luottavat tähän tehtävään suuntakuplareihin tai Wilkinsonin jakajiin. Nämä laitteet voivat jakaa signaaleja suhteilla jopa 1:32, ja ne pitävät lisäysvaimennuksen alle 0,5 dB:n, kuten viime vuonna kenttämittauksissa 3,5 GHz:n taajuusalueella on mitattu. RF-alijärjestelmien toiminnan tarkastelu nykyisessä langattomassa infrastruktuurissamme osoittaa, että näillä yksinkertaisilla passiivisilla komponenteilla on suuri vaikutus siihen, mitä 5G-verkot voivat tehdä kapasiteetin ja reaktioaikojen osalta, koska ne mahdollistavat tarkan säteenmuodostuksen ja kantoaaltokerrostamisen tekniikat. Suunnittelijoiden haasteena on löytää oikea suhde siihen, kuinka paljon tehoa näillä komponenteilla voi olla ja kuinka pieniä niiden tulee olla, erityisesti ruuhkautuneilla kaupunkialueilla, joissa mm-aaltotaajuudet vaativat komponentteja, jotka sopivat äärimmäisen tiiviisiin tiloihin.

Miten tehonjakajat toimivat: ydintoiminnot ja keskeiset ominaisuudet

Tehonjakajien toimi signaalien jakamisessa

Tehonjakajat ovat periaatteessa passiivisia komponentteja, joita käytetään laajasti tietoliikenneverkoissa. Ne ottavat sisääntulevan radiotaajuisen signaalin ja jakavat sen useisiin lähtöpolkuun säilyttäen impedanssin tasapainossa. Näiden laitteiden pääasiallinen tehtävä on levittää signaaleja tasaisesti verkon eri osiin, mukaan lukien tavalliset antennit, niin kutsutut DAS-antennijärjestelmät (Distributed Antenna Systems) ja kaikki tukiasemat. Kun 5G-verkkoja asennetaan, teknikoilla on usein tarve jakaa yksi 3,5 GHz:n signaali kahteen tai neljään erilliseen polkuun, jotta voidaan saavuttaa useita alueita samanaikaisesti. Tämä auttaa palveluntarjoajia saamaan paremman kattavuuden luomatta samalla lisää häiriöongelmia.

Tehonjakajat vs. -yhdistimet tietoliikenteen sovelluksissa

Ihmiset sekoittavat ne usein keskenään, mutta tehot jakajat ja yhdistimet tekevät itse asiassa päinvastaisia asioita. Jakajat ottavat signaalin yhdestä paikasta ja lähettävät sen useisiin eri kohtiin samanaikaisesti. Yhdistimet toimivat päinvastoin, ottamalla signaaleja useista eri lähteistä ja yhdistämällä ne yhteen lähtevään signaaliin. Jotkin jakajamallit voivat tarvittaessa toimia myös yhdistiminä, erityisesti ne, joilla on kaksisuuntaiset ominaisuudet. Otetaan hybridikytkimet esimerkiksi, nämä laitteet mahdollistavat signaalien yhdistymisen kahdesta eri lähteestä yhteen antenniliitäntään. Tässä yhteydessä erittäin tärkeää on myös se, että nämä erilliset signaalit pysyvät eristyksissä toisistaan. Tämä on erityisen tärkeää paikoissa, joissa paljon langattomia signaaleja on tiivistetty yhteen, kuten suurissa kaupungeissa, sillä muuten kaikki nämä signaalit alkavat häiritä toisiaan.

Keskeiset suorituskykymittarit: Jakosuhde, Liitäntähäviö ja Erotus

Kolme mittaria määrittää jakajan tehokkuuden:

• Jakosuhde : Kuvaa lähdön jakautumista (esim. 1:2 yhtä suurille jakautumisille).
• Liitäntähäviö : Signaalin voimakkuuden väheneminen laitteen läpi, tyypillisesti 0,1–3 dB korkealaatuisissa laitteissa. Teollisuustutkimukset osoittavat, että häviöiden vähentäminen alle 1 dB parantaa verkon energiatehokkuutta 12–18 % (Ponemon Institute, 2023).
• Yksinäisyys : Estää signaalin vuotoa lähtöporttien välillä, ylittäen 20 dB huipputuotteissa, jotta estetään häiriöt monikanavaisissa järjestelmissä.

Nämä parametrit vaikuttavat suoraan verkon luotettavuuteen, erityisesti mmWave 5G-verkoissa, joissa signaalin eheyden säilyttäminen on ensisijainen tavoite.

RF-tehonsiirtojen tyypit ja suunnittelun kompromissit

RF-tehonsiirrot ovat passiivisia komponentteja, jotka ovat kriittisiä signaalien eheyden hallinnassa tietoliikenteen järjestelmissä, ja niiden suorituskyky riippuu suoraan suunnittelun valinnoista. Alla tarkastellaan niiden keskeisiä vaihtoehtoja, teknisiä kompromisseja ja käyttövaikutuksia.

Yleisimmät tehonsiirtojen tyypit: Wilkinson, suuntainen ja resistiivinen

Kolme pääasiallista RF-tehonsiirtoarkkitehtuuria palvelee eri rooleja:

• Wilkinson-siirrot käytä kvartin aallon muuntajia jakamaan signaaleja samalla kun portin eristystä ylläpidetään, mikä tekee niistä ideaalisia korkeataajuisiin sovelluksiin kuten 5G-antenniryhmiin. Vuoden 2024 tutkimus RF-järjestelmistä korostaa niiden matalaa lisävaimennusta (yleensä <0,3 dB) ja kykyä kestää jopa 100 W:n tehotasot.
• Suuntajakajat hyödyntävät kytkettyjä siirtolinjoja taajuusvalikoivien signaalien reititykseen, joita käytetään usein taajuusjaksoisessa monopleksauksessa.
• Vastusjakajat tarjoavat leveän kaistanleveyden ja kompaktin koon, mutta tinkivät eristystasosta (yleensä <20 dB), mikä rajoittaa niiden käyttöä matalan tehon testauskalustoihin.

Lisävaimennus ja eristys: vaikutus verkon tehokkuuteen

Lisävaimennus (2–3 dB kaupallisissa jakajissa) vähentää suoraan verkon siirtonopeutta, kun taas riittämätön eristys (5G:n tavoite >30 dB) aiheuttaa signaalivuotoa porttien välillä. Esimerkiksi 1 dB:n häviö 64T64R massiivisessa MIMO-antenniryhmässä voi heikentää solun reunan siirtonopeutta 15–20 %, kuten tuoreet kenttäkokeet ovat osoittaneet.

Suunnittelukompromissit: Kompakti koko vs. korkea eristys ja tehonkesto

Splittterien miniatyrisointi pieniin soluihin pakottaa usein insinöörit hyväksymään 10–15 % alhaisemman tehonkeston tai 5–8 dB vähentyneen erotuksen. Edistyneet substraatit, kuten GaN-on-SiC, auttavat vähentämään näitä häviöitä ja mahdollistavat 40 % pienemmät Wilkinson-splittterit ilman 2,4 GHz:n suorituskyvyn heikentymistä äskettäin käyttöön otetuissa mm-aaltoverkoissa.

Tehonsplittterien sovellukset 5G-verkoissa ja nykyaikaisessa langattomassa infrastruktuurissa

Tehonsplittterit 5G-tukiasemissa ja pienissä soluissa

Tehonjakajat ovat olennaisia osia kaikissa 5G-verkon asetuksissa, ja ne auttavat jakamaan signaalit oikein niiden suurten MIMO-antennijärjestelmien läpi, joita näkyy nyt kaikkialla. Nykyään useimmat tukiasemat jakavat niiden avulla korkean taajuisten signaalien jakamisen noin 64:lle tai jopa 128:lle eri antennipisteelle. Tämä auttaa pitämään kattavuuden alueella tasaisena ja varmistamaan, että säteet suuntautuvat tarkasti oikeaan kohteeseen. Kun kyseessä ovat tiheisiin kaupunkiympäristöihin asennettavat pienten solujen versiot, kompaktit jakajat ovat erityisen tärkeitä. Ne vähentävät signaalihäviöongelmia ja silti sopivat kapeisiin tiloihin, kuten katuvalojen päälle tai rakennusten seinille, joissa tila on kapeaa tietoliikennehenkilöstölle, joka yrittää saada kaiken asennettua.

Käytännön toteutus mmWave-5G-verkoissa

Millimetriaaltotaajuuksilla, jotka ovat yli 24 GHz, on todellisia etenemisongelmia, kuten niiden absorboituminen ilmakehään ja huono diffraktio esteiden ympärille. Näissä korkeissa taajuskaistoissa insinöörit turvautuvat tehojakajiin, jotka auttavat vähentämään signaalihäviöitä jakamalla signaalit niille vaiheistettujen antenniryhmien osille, jotka pystyvät osoittamaan säteensä juuri oikeaan kohtaan. Otetaan esimerkiksi tavallinen 28 GHz:n 5G-tukiasema. Näissä käytetään yleisesti Wilkinsonin tehojakajia saavuttamaan hyvä tasapaino yli 20 dB:n eristystason ja alle noin 0,3 dB:n lisäysvahenuksen välillä. Tällainen rakenne mahdollistaa kohtuullisten siirtotnopeuksien ylläpidon, vaikka kantama olisikin noin 200 metriä, vaikka kaikki tietävätkin, että mm-aaltokin vaatii yleensä melko selkeän näköyhteyden toimiakseen oikein suurimman osan ajasta.

Signaalinhallinnan haasteet korkeataajuisissa tietoliikennejärjestelmissä

Korkean taajuuden 5G-järjestelmissä tehotasajännitteiden on mentävä äärimmäisten lämpötilaolojen läpi samalla kun takaisinsiros on alle -15 dB estämään ne ärsyttävät impedanssierot. Kun toiminta tapahtuu noin 39 GHz taajuuksilla, pienet vaihe-erot alle 5 astetta lähtevien signaalien välillä voivat todella häiritä sädekaavoja. Tämäntyyppinen vääristymä vähentää verkon kapasiteettia noin 30–40 prosentilla, kuten Ponemonin tutkimus vuonna 2023 osoitti. Parhaat nykyiset suunnittelut alkavat sisältää lämpötilakompensoidut materiaalit sekä kultapinnoitetut liitännät. Nämä komponentit pitävät kaiken toiminnassa oikein, vaikka ulkolämpötila vaihtelisi yli 50 celsiusasteen vuosittain, mikä tapahtuu melko usein monissa asennuspaikoissa.

Näiden teknisten haasteiden ratkaisemalla tehotasajännitteet pysyvät välttämättöminä 5G-infrastruktuurin skaalautumisessa tavoitellakseen ennustettuja vaatimuksia 10 Gbps nopeuksilla ja alle 1 ms viiveellä.

Tulevaisuuden trendit: Tehonjakajien integrointi IPD-moduuleihin ja miniatyyrimoduuleihin

Integroidut passiivikomponentit (IPD): Markkinoiden kasvu ja tietoliiketeollisuuden käyttömahdollisuudet

Tietoliiketeollisuus siirtyy nopeasti kohti pienempiä ja tehokkaampia verkkoratkaisuja, mikä selittää integroituina passiivikomponentteina (IPD) tunnettujen laitteiden kasvavan suosion. Näihin puolijohdemoduuleihin yhdistetään komponentteja, kuten tehonjakajia, suodattimia ja kytkimiä, kaikki samalle substraatille. Tämän ansiosta kantoaaltopohjaisiin asemien komponenttimäärään tarvitaan jopa 40–60 prosenttia vähemmän kuin ennen, ja ne toimivat myös viileämpinä. Tulevaisuudessa, kun 5G-verkkojen rakentaminen jatkuu maanlaajuisesti, alan asiantuntijat ennustavat, että integroituina passiivikomponentteina käytettävien IPD-moduulien kysyntä tietoliiketeollisuudessa kasvaa noin 19 prosenttia vuosittain vuoteen 2028 saakka. RF-osien miniatyrisointi on edelleen tämän trendin tärkein ajaja, kuten suurin osa teollisuuden seuraajista toteaa.

Tehonjakajat upotettuina komponentteina edistetyissä RF-moduuleissa

Johtavat valmistajat upottavat nykyään tehonjakajat suoraan galliumnitraattipohjaisiin (GaN) RF-vahvistimiin, mikä mahdollistaa kaksitoimintoisten moduulien, jotka vievät 30 % vähemmän levytilaa kuin erilliset ratkaisut. Tämä yhteissuunnittelun lähestymistapa parantaa impedanssimättömyyttä mm-aaltotaajuuksilla, vähentäen lisäysmenetelmiä 0,8–1,2 dB 28 GHz:n vaiheistettujen antennien taajuuksilla.

Miniaturisoinnin ja suorituskyvyn tasapainottaminen IPD-pohjaisissa suunnitteluratkaisuissa

Vaikka IPD:t mahdollistavat ennennäkemättömät tilojen säästöt, suunnittelijat kohtaavat kompromisseja eristysarvojen (-25 dB minimi 5G-verkoissa) ja paketinkokojen välillä, jotka ovat alle 2,5 mm². Viimeaikaiset saavutukset ohutkalvokondensaattorien integroinnissa ja substraattipesäkkeiden varjonnassa ovat parantaneet eristysarvoja -32 dB 39 GHz:n taajuudella tuotantovalmistuksessa käytetyissä IPD-tehonjakajissa.

UKK

Mitä ovat passiiviset komponentit RF- ja tietoliikenteen järjestelmissä?

Passiiviset komponentit ovat keskeisiä rakennuspalikoita RF- ja tietoliikenteen järjestelmissä, ja niiden joukossa ovat esimerkiksi vastukset, kondensaattorit ja käämit. Ne suorittavat kriittisiä tehtäviä, kuten impedanssimottauksen, suodatuksen ja energian varastoinnin, ilman että ne lisäävät signaalin voimakkuutta tai tarjoavat aktiivista ohjausta.

Kuinka tehotasajakiekat toimivat tietoliikenneverkoissa?

Tehotasajakiekkoja käytetään jakamaan saapuva radioaaltoinen signaali useisiin lähtöpolkuun säilyttämällä impedanssitasapaino. Ne ovat kriittisiä signaalien jakamisessa tasaisesti tietoliikenneverkoissa, erityisesti 5G-järjestelmissä.

Mikä on ero tehotasajakikkalan ja yhdistimetason välillä?

Tehotasajakiekat jakavat yhden tulonsa useisiin polkuun, kun taas yhdistimet sulauttavat signaaleja useista lähteistä yhteen lähtöpolkuun. Jotkin laitteet, kuten hybridikytkimet, voivat suorittaa molemmat toiminnot.

Miksi lisäysvaimennus on merkittävä RF-tehotasajakiekoissa?

Liitäntähäviöllä tarkoitetaan signaalitehon pienenemistä sen kulkiessa jakajapisteen kautta. Alhaisemmat liitäntähäviöt parantavat verkon energiatehokkuutta ja järjestelmän suorituskykyä, erityisesti korkeilla taajuuksilla.

Miten tulevaisuuden trendit vaikuttavat RF-tehojakajien suunnitteluun?

Tehojakajien integrointi miniatyuroituihin moduuleihin ja IP-keskuksiin on merkittävä trendi, joka parantaa tehokkuutta ja vähentää komponenttien määrää teleliikennejärjestelmissä.