בלוג

התפקיד של רכיבים פאסיביים במערכות RF ותקשורת

הכרת רכיבים פאסיביים במערכות RF ותקשורת

רכיבים פאסיביים מהווים את אבני הבניין הבסיסיות של מערכות RF ותקשורת, ומאפשרים עיבוד אות קריטי מבלי להוסיף הגברה או שליטה פעילה. בניגוד לרכיבים פעילים כמו טרנזיסטורים או מגברים, רכיבים פאסיביים כמו נגדים, קבלים וסלילים פועלים אך ורק באמצעות אינטראקציות שדה אלקטרומגנטי. הפונקציות העיקריות שלהם כוללות:

• התאמת אימפדנס : הבטחת העברת הספק יעילה בין שלבי מעגל.
• Фильтрация : חסימת תדרים לא רצויים תוך שמירה על שלמות האות.
• אחסון אנרגיה : אחיזה זמנית במטען או אנרגיה מגנטית לצורך דיוק ויציבות.

רכיבים אלו הם חסרי תחליף ביצירת התנהגות האות, במיוחד בסביבות בתדר גבוה שבהן אובדן הכנסה מינימלי ו התאמה מדויקת של עכבות קובעות את יעילות המערכת.

הפצה וشילוב אותות ברשתות תקשורת

רכיבים פאסיביים כמו מפצלים חשמליים הם מאוד חשובים ברשתות התקשורת של ימינו כשמדובר בהתפלגות האותות במערכות עם מספר אנטנות ובמערכות הרדיו המופצות שאנו רואים כיום בכל מקום. כשאות RF נכנס לתחנת בסיס, לרוב יש צורך לחלק אותו לכמה מסלולים שונים כדי שיוכל להגיע לכל האנטנות או התקני הסלולרי הקטנים מבלי לפגוע בסנכרון ביניהן. רוב המהנדסים סומכים על מצמדים כיווניים או מפצלים מסוג ווילקינסון לביצוע עבודה זו. בפועל, התקנים אלו מסוגלים לחלק אותות ביחסים שיכולים להגיע עד 1:32, והם מצליחים לשמור על אובדן התערבות מתחת ל-0.5 דציבל, כפי שנמדד סביב תחומי תדרים של 3.5 ג'יגה הרץ במהלך מבחנים בשטח בשנה שעברה. ניתוח של אופן הפעולה של תת-מערכות ה-RF בโครง התקשורת беспיתותי שלנו מראה שהרכיבים הפסיביים הפשוטים הללו יש להם השפעה גדולה על היכולות של רשתות ה-5G מבחינת הקיבולת והזמן בתגובה שלהן, מאחר שהם מאפשרים טכניקות כמו Beamforming ו-Aggregation. האתגר עבור המעצבי מערכות הוא למצוא את האיזון הנכון בין כמות ההספק שהרכיבים יכולים להתמודד מול הגודל הפיזיים שלהם, במיוחד באזורים עירוניים צפופים שבהם תדרי ה-mmWave דורשים רכיבים שיכולים להתאים גם למרחבים מצומצמים במיוחד.

איך פועלים מפצלים חשמליים: פונקציונליות עיקרית ומאפיינים מרכזיים

תפקוד של מפצלים חשמליים בהעברת אותות

מפצלי הספק הם רכיבים פאסיביים המשמשים ברשתות תקשורת. הם מקבלים אות בתדר רדיו ומביאים אותו למספר מסלולים פלטיוים תוך שמירה על איזון האימפדנס. התפקיד העיקרי של מכשירים אלו הוא לפזר אותות בצורה שווה בחלקים השונים של הרשת, כולל אנטנות רגילות, מערכות האנטנות המופצות (DAS), ותחנות בסיס. בעת התקנת רשתות 5G, לעתים קרובות על הטכנאי לפצל אות של 3.5 GHz לשני מסלולים או ארבעה מסלולים נפרדים כדי להגביר את השמיעה. פעולה זו עוזרת לספקני שירותים להשיג תקורה טובה יותר מבלי ליצור הפרעות נוספות.

מפצלים חשמליים לעומת מקשטים בתחומי התקשורת

אנשים נוטים לבלבל ביניהם, אך מפצלים ומגששנים בפועל מבצעים פעולות הפוכות. מפצלים לוקחים אות שנכנס מאיזור אחד ומעבירים אותו בכמה נקודות שונות בו-זמנית. מגששנים פועלים בדיוק בכיוון ההפוך, הם לוקחים אותות ממספר מקורות ומשדרים אותם דרך נתיב פלט אחד. חלק מהדגמים של מפצלים יכולים גם לשמש כמגששנים לפי הצורך, במיוחד אלו בעלי יכולות דו-כיווניות. לדוגמה, מיזוגי היבריד - מכשירים אלו מאפשרים לאותות משני שידוריים נפרדים להשתלב בנקודת חיבור אנטנה אחת. מה שחשוב באמת כאן הוא שהם שומרים על האותות הנפרדים בדידות מוחלטת זה מזה. זה מאוד חשוב במקומות שבהם מקבצים יחד אותות אלחוטיים רבים, כמו אזורי ערים גדולים, מכיוון שהייתה התנגדות הדדית בין כל האותות הללו.

מדדי ביצוע עיקריים: יחס פיצול, הפסד השמה, ודידות

שלושה מדדים שומרים על יעילות המפצל:

• יחס פיצול : מתאר חלוקת פלט (למשל, 1:2 לחלק שווה).
• אובדן הכנסה : הפחתת עוצמת האות דרך המכשיר, בדרך כלל 0.1–3 דציבל ביחידות מתקדמות. מחקריו של מכון Ponemon (2023) מצביעים על כך שהפסדים הנמוכים מ-1 דציבל משפרים את יעילות האנרגיה של הרשת ב-12–18%
• בידוד : מונע דליפת אות בין יציאות, מעבר ל-20 דציבל בדגמים מתקדמים כדי למנוע הפרעות במערכות רב-שכבתיות.

פרמטרים אלו משפיעים ישירות על נחות הרשת, במיוחד בפריסות 5G בטווח גל milimeter שבו שלמות האות קריטית.

סוגים וקנסים בעיצוב של מפצלים RF

מפצלי עוצמה RF הם רכיבים פאסיביים קריטיים לניהול שלמות האות במערכות תקשורת, כאשר הביצועים שלהם קשורים ישירות לבחירת העיצוב. להלן תחומי מפתח עיקריים, קנסים טכנולוגיים והשפעות תפעוליות.

הסוגים הנפוצים ביותר של מפצלי עוצמה: Wilkinson, כיווני, וمقاומי

שלושת הארכיטקטורות העיקריות של מפצלי RF משרתות תפקידים נבדלים:

• מפצלי Wilkinson שימוש במתגים של רבע גל לחלקת אותות תוך שמירה על נeuslation של היציאות, מה שעושה אותם אידיאליים ליישומים בתדרים גבוהים כמו מערכות אנטנות 5G. מחקר משנת 2024 על מערכות RF מדגיש את האובדן הנמוך בהכנסת (בדרך כלל <0.3 dB) והיכולת להתמודד עם רמות הספק עד 100W.
• מתגי כיוון מנצלים קווי תמסורת מצומדים להפניית אותות סלקטיבית בתדר, נפוצים ביישומים של כפלת תדר בשיטת חלוקה בתדר (FDD).
• מתגי התנגדות מציעים פס רחב וגודל קטן, אך מפסידים נeuslation (לרוב <20 dB), מה שמצמצם את השימוש בהם רק בציוד בדיקה להספק נמוך.

אובדן הכנסת ו-Neuslation: השפעה על יעילות הרשת

אובדן הכנסת (2–3 dB במתגים מסחריים) מפחית ישירות את throughout הרשת, בעוד נeuslation לא מספקת (יעד >30 dB ל-5G) גורמת לדליפת אות בין יציאות. לדוגמה, אובדן של 1 dB במערך MIMO המוני 64T64R יכול להוריד את throughout בקצוות התא ב-15–20%, לפי בחינות שדה עדכניות.

הפשרות בעיצוב: גודל קטן מול נeuslation גבוהה ועיבוד הספק

הפחתת גודל המפצלים לתאים קטנים מחייבת לעתים קרובות מהנדסים לקבל ירידה של 10–15% ביכולת הנעת הכוח או ירידה של 5–8 דציבל בניתוק. מדבקות מתקדמות כמו GaN-on-SiC עוזרות להפחית את האובדים הללו, ומאפשרות יצירת מפצלים מסוג וילקינסון הקטנים ב-40% מבלי להקריב ביצועים בתדר 2.4 GHz בפריסות mmWave עדכניות.

יישומים של מפצלים ב-5G ובתשתית беспровית מודרנית

מפצלים בתחנות בסיס של 5G ותאים קטנים

מחלקת הספק הן חלקים חיוניים בכל התקנה של 5G, ובעזרתן מפוצל הסיגנל בצורה מתאימה במערכות האנטנות הגדולות מסוג MIMO שרואים כיום בכל מקום. בזמננו הזה, רוב תחנות הבסיס סומכות עליהן כדי לחלק את הסיגנלים בעלי התדרים הגבוהים, כך שיופנו בצורה שווה לכ-64 או אפילו 128 נקודות אנטנה שונות. זה עוזר בשמירה על תקשרות אחידה בכל האזור, וכן מבטיח שהลำונים יופנו בדיוק לשם היעד הנכון. כשמדובר על תאים קטנים המותקנים בערים עירוניות, גרסאות קומפקטיות של מחלקות אלו מקבלות חשיבות רבה. הן מפחיתות את אובדן הסיגנל ועדיין תואמות לתוך מקומות צרים, כמו פנסים עירוניים או קירות בניינים, שם לרוב אין הרבה מקום לצוותי תקשורת שמנסים להתקין את כל המערכת.

הטמעה בשטח ברשתות mmWave 5G

תדרי הגלים המילימטריים שמעל 24 גיגה הרץ נתקלים בבעיות התפשטות אמיתיות, כמו נספחים על ידי האטמוספירה ולא עוקפים препנים בצורה מיטבית. עבור תדרים גבוהים אלו, מהנדסים פונים למפצלים חשמליים (Power Splitters) אשר עוזרים להפחית את אובדן האות על ידי חלוקת האותות עבור אנטנות מערך מופע (Phased Array Antennas) שיכולות ממש לכוון את הקרן בדיוק לשם שהן צריכות להגיע. קחו למשל תחנת בסיס 5G סטנדרטית בתדר 28 גיגה הרץ. לרוב הן סומכות על מפצלים חשמליים מסוג וילקינסון (Wilkinson) כדי להשיג את האיזון העדין בין בידוד טוב של מעל 20 דציבל (dB) לבין שמירה על אובדן הכנסת (Insertion Loss) מתחת לערך של כ-0.3 דציבל. הקונפיגורציה הזו מאפשרת לשמור על קצב נתונים סביר גם בטווחים של כ-200 מטר, אם כי כולם יודעים שגלים מילימטריים (mmWave) עדיין דורשים לרוב קו ראייה ברור יחסית כדי לעבוד כראוי.

אתגרי ניהול אותות במערכות תקשורת בתדרים גבוהים

במערכות 5G בתדרים גבוהים, מפצלים חשמליים צריכים להתמודד עם תנאים תרמיים קיצוניים, תוך שמירה על אובדן החזרה מתחת ל-15- דציבל, כדי למנוע התאמה לקוית באימפדנס. בעת פעולה בתדרים בסביבות 39 ג'יגה-הרץ, הבדלים קטנים בפאזה, של פחות מ-5 מעלות בין אותות היציאה, עלולים לפגוע בדפוסי הקרן. סיווג כזה פוגע בפועל בקיבולת הרשת ב-30 עד 40 אחוז, לפי מחקר של פונמון מ-2023. הדגמים המתקדמים ביותר כוללים כיום חומרים שמתפוצלים על פי הטמפרטורה, לצד חיבוריםメッוּי זהב. רכיבים אלו עוזרים לשמור על תפקוד תקין גם כאשר הטמפרטורות החיצוניות נעות ב-50 מעלות צלזיוס ומעלה מדי שנה, מצב שמתרחש לעיתים קרובות במגוון אתרים להטמעה.

על ידי פתרון של אתגרים טכנולוגיים אלו, מפצלים חשמליים שומרים על חשיבותם הרבה בסקלינג של תשורת 5G כדי לעמוד בדרישות המettoות של מהירות 10 ג'יגה-בית לשנייה ועיכוב של פחות מ-1 מילישנייה.

מגמות עתיד: שילוב של מפצלים חשמליים ב-IPD ובמודולים ממוזערים

התקני פסיבים משולבים (IPD): צמיחה בשוק ויישומים בתקשורת

חברות תקשורת מתקדמות במהירות לעבר התקנות רשת קטנות ויעילות יותר, מה שמסביר למה התקני פסיבים משולבים (IPD) הופכים לפופולריים כרגע. מודולי הסמי-קונדקטור הקטנים הללו מצמידים יחד רכיבים כמו מפצלים חשמליים, מסננים ומצמדים על תת-strate אחד. התוצאה? תחנות בסיס נזקקות לכ-40 ועד אולי 60 אחוז פחות רכיבים בהשוואה בעבר, ובנוסף הן פועלות בקירור מוגזם פחות. בהמשך הדרך, ככל ש-5G ממשיך להתפשט ברחבי המדינה, מומחי שוק סבורים שבשנים הקרובות הביקוש ל-IPD בתחום התקשורת יעלה בכ-19% בממוצע מדי שנה עד 2028. מיזעור מודולי ה-RF הרגילים נותר גורם מרכזי מאחורי המגמה הזו, כך לפי רוב הצופים בתעשייה.

מפצלים חשמליים כרכיבים מובנים במודולים מתקדמים של RF

יצרנים מובילים משדרים כעת מפצלים חשמליים ישירות לתוך מגברי RF ניטריד גליניום (GaN), מה שמאפשר מודולים רב-תכליתיים שמכסים 30% פחות שטח על לוחות המעגלים ממערכות נפרדות. גישת עיצוב משותפת זו משפרת התאמה אימפדנסית בתדרי mmWave, ומקטינה את אובדן ההכנסה ב-0.8–1.2 דציבל באנטנות מסד מופע של 28 GHz.

איזון בין מינימיזציה לביצועים בעיצובים המבוססים על IPD

בעוד ש-IPD מאפשר חיסכון unprecedented במרחב, מתכנני מערכות מתמודדים עם פיצויים בין בידוד (-25 דציבל מינימום לרשתות 5G) לבין גודל האריזה שמתחת ל-2.5 מ"ר. התקדמויות אחרונות בהטמעת קבלים בסרט דק ובהגנה דרך סובסטרט ב-packages שיגרו את מדדי הבידוד ל-32- דציבל ב-39 GHz במפצלים חשמליים של IPD המיוצרים באופן תעשייתי.

שאלות נפוצות

מהן רכיבים פאסיביים במערכות RF וטלפוניה?

רכיבים פאסיביים הם בלוקי בנייה חשובים במערכות RF וטלקומים, ומכילים רכיבים כמו נגדים, קבלים וסלילים. הם מבצעים פונקציות קריטיות כמו התאמה אימפדנסית, סינון ואגירת אנרגיה, מבלי להוסיף הגברה או שליטה אקטיבית.

איך פועלים מפצלים במערכות טלקומים?

מפצלים משמשים לפיצול אות RF יחיד למספר מסלולים, תוך שמירה על איזון האימפדנס. הם חשובים לפיזור אותות שוויוני במערכות טלקומים, במיוחד במערכות 5G.

מה ההבדל בין מפצלים לאוגרים?

מפצלים מחלקים אות כניסה יחיד למספר מסלולים, בעוד שאוגרים משלבים אותות ממספר מקורות למסלול יחיד. חלק מהתקנים, כמו מצמדים היברידיים, יכולים לבצע את שתיהן.

למה אובדן הכניסה הוא בעל חשיבות בمفצלים RF?

הפסד הכניסה מתייחס לירידה בכוח האות בעת מעבר דרך מפצל. הפסדים נמוכים יותר בכניסה מעצימים את יעילות האנרגיה של הרשת ואת הביצועים של המערכת, במיוחד באפליקציות בתדרים גבוהים.

אילו מגמות עתידיות משפיעות על עיצוב מפצלים של RF?

השלמה של מפצלי כוח לתוך מודולים ממוזערים ו-IPDs היא מגמה חשובה, המשפרת את היעילות ומצמצמת את מספר הרכיבים הנחוצים במערכות תקשורת.