Блог

Роль пассивных компонентов в ВЧ и телекоммуникационных системах

Основы понимания пассивных компонентов в ВЧ и телекоммуникационных системах

Пассивные компоненты составляют основу ВЧ и телекоммуникационных систем, обеспечивая критическую обработку сигналов без усиления или активного управления. В отличие от активных компонентов, таких как транзисторы или усилители, пассивные элементы, такие как резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности, работают исключительно за счет взаимодействия электромагнитных полей. Их основные функции включают:

• Сопряжение импеданса : Обеспечение эффективной передачи мощности между ступенями схемы.
• Фильтрация : Блокировка нежелательных частот с сохранением целостности сигнала.
• Хранение энергии : Временное хранение заряда или магнитной энергии для обеспечения временных характеристик и стабильности.

Эти компоненты играют решающую роль в формировании поведения сигналов, особенно в высокочастотных средах, где минимальные потери при вставке и точное согласование импеданса определяют эффективность системы.

Распределение и объединение сигналов в телекоммуникационных сетях

Пассивные компоненты, такие как делители мощности, действительно важны в современных телекоммуникационных сетях, когда дело доходит до распределения сигналов в многоканальных антенных системах и распределенных радиомодулях, которые мы сейчас повсеместно наблюдаем. Когда ВЧ-сигнал поступает в базовую станцию, обычно возникает необходимость разделить его на несколько отдельных путей, чтобы он мог достичь все эти антенны или установки малых сот без нарушения синхронизации между ними. Большинство инженеров полагаются на направленные ответвители или делители Уилкинсона для решения этой задачи. Эти устройства действительно способны разделять сигналы в соотношениях до 1:32, и им удается поддерживать потери вносимого сигнала менее 0,5 дБ согласно измерениям, проведенным на частотных диапазонах около 3,5 ГГц во время полевых испытаний в прошлом году. Анализ того, как работают ВЧ-подсистемы в нашей текущей беспроводной инфраструктуре, показывает, что эти простые пассивные компоненты оказывают большое влияние на возможности сетей 5G по пропускной способности и времени отклика, поскольку они делают возможным точное формирование диаграммы направленности и использование технологий агрегации несущих. Задача для разработчиков заключается в том, чтобы найти правильный баланс между количеством мощности, которую могут выдерживать эти компоненты, и их физическими размерами, особенно в густо населенных городских районах, где использование миллиметровых волн требует, чтобы компоненты помещались в невероятно ограниченном пространстве.

Как работают делители мощности: основные функции и ключевые характеристики

Функция делителей мощности в распределении сигналов

Делители мощности представляют собой пассивные компоненты, используемые во всей телекоммуникационной сети. Они принимают входной сигнал радиочастоты и разделяют его на несколько выходных путей, сохраняя при этом сбалансированное сопротивление. Основная задача этих устройств — равномерное распределение сигналов по различным частям сети, включая обычные антенны, современные системы распределенных антенн (DAS) и все базовые станции. При настройке сетей 5G техникам часто необходимо разделить один сигнал на частоте 3,5 ГГц на два или четыре отдельных пути, чтобы одновременно охватить несколько зон. Это позволяет операторам связи улучшить покрытие сети без возникновения дополнительных помех.

Делители мощности и сумматоры в телекоммуникационных приложениях

Люди часто их путают, но разветвители и сумматоры выполняют противоположные функции. Разветвители принимают сигнал с одного входа и передают его сразу в несколько разных точек. Сумматоры работают наоборот, собирая сигналы с нескольких источников и объединяя их в один выходной сигнал. Некоторые модели разветвителей могут использоваться как сумматоры при необходимости, особенно модели с двусторонними возможностями. Например, гибридные направленные мосты — эти устройства позволяют объединить сигналы от двух отдельных передатчиков на одном антенном подключении. Очень важно, что они обеспечивают изоляцию этих отдельных сигналов друг от друга. Это особенно критично в местах, где множество беспроводных сигналов находятся в тесном пространстве, например, в крупных городах, поскольку в противном случае все эти сигналы начнут мешать друг другу.

Ключевые параметры эффективности: коэффициент деления, вносимые потери и изоляция

Три параметра определяют эффективность разветвителя:

• Соотношение разделения : Описывает распределение выходного сигнала (например, 1:2 для равномерного деления).
• Потеря вставки : Снижение мощности сигнала при прохождении через устройство, обычно составляет 0,1–3 дБ в высококачественных моделях. Исследования в отрасли показывают, что потери ниже 1 дБ повышают энергоэффективность сети на 12–18% (Ponemon Institute, 2023).
• Изоляция : Предотвращает утечку сигнала между выходными портами, превышая 20 дБ в премиальных моделях, чтобы избежать помех в многоканальных системах.

Эти параметры напрямую влияют на надежность сети, особенно при развертывании 5G в диапазоне ммВ, где целостность сигнала имеет первостепенное значение.

Типы и компромиссы в конструкции ВЧ-делителей мощности

Делители мощности СВЧ являются пассивными компонентами, критически важными для обеспечения целостности сигнала в телекоммуникационных системах, а их рабочие характеристики напрямую зависят от конструктивного исполнения. Ниже рассматриваются их основные разновидности, технические компромиссы и эксплуатационные характеристики.

Распространенные типы делителей мощности: Уилкинсона, направленные и резистивные

Три основных архитектуры делителей мощности СВЧ выполняют разные функции:

• Делители Уилкинсона используйте четвертьволновые трансформаторы для разделения сигналов с сохранением изоляции портов, что делает их идеальными для высокочастотных приложений, таких как антенные решетки 5G. Исследование 2024 года о радиочастотных системах подчеркивает их низкие потери вносимого затухания (обычно <0,3 дБ) и способность выдерживать уровни мощности до 100 Вт.
• Направленные делители используют связанные линии передачи для частотно-селективной маршрутизации сигналов, часто применяются в системах с частотным дуплексированием.
• Резистивные делители обеспечивают широкую полосу пропускания и компактные размеры, но жертвуют изоляцией (часто <20 дБ), ограничивая их применение в маломощном испытательном оборудовании.

Потери вносимого затухания и изоляция: влияние на эффективность сети

Потери вносимого затухания (2–3 дБ в коммерческих делителях) напрямую снижают пропускную способность сети, а недостаточная изоляция (целевой уровень для 5G >30 дБ) вызывает утечку сигналов между портами. Например, потери в 1 дБ в массиве антенны MIMO с 64T64R могут снизить пропускную способность на границе соты на 15–20%, согласно последним полевым испытаниям.

Компромиссы в проектировании: компактные размеры против высокой изоляции и способности выдерживать высокую мощность

Уменьшение размеров делителей мощности для малых сот зачастую вынуждает инженеров мириться с на 10–15% меньшей мощностью или на 5–8 дБ сниженной степенью изоляции. Использование передовых подложек, таких как GaN-on-SiC, помогает компенсировать эти потери, позволяя создавать делители Уилкинсона на 40% меньшего размера без ущерба для характеристик на частоте 2,4 ГГц в современных развертываниях миллиметровых волн

Применение делителей мощности в сетях 5G и современной беспроводной инфраструктуре

Делители мощности в базовых станциях 5G и малых сотах

Сплиттеры мощности являются важными компонентами любой 5G-инфраструктуры, обеспечивая правильное распределение сигналов по современным массивным MIMO-антенным системам. В настоящее время большинство базовых станций используют их для разделения высокочастотных сигналов, чтобы равномерно распределить их на 64 или даже 128 антенных точек. Это позволяет обеспечить стабильное покрытие на всей территории и точно направлять лучи туда, где это необходимо. При развертывании малых сот в густо населенных городах особенно важны компактные версии таких сплиттеров. Они минимизируют потери сигнала и при этом легко размещаются в ограниченном пространстве, например, на верхушках уличных фонарей или на стенах зданий, где у телекоммуникационных бригад крайне ограничено место для установки оборудования.

Реальное развертывание в сетях mmWave 5G

Частоты миллиметровых волн выше 24 ГГц действительно сталкиваются с проблемами распространения, например, поглощением атмосферой и плохой дифракцией вокруг препятствий. Для этих высокочастотных диапазонов инженеры используют делители мощности, которые помогают уменьшить потери сигнала за счет разделения сигналов для тех антенных решеток, которые могут направлять свои лучи точно туда, куда это необходимо. Возьмем, к примеру, стандартную базовую станцию 5G с частотой 28 ГГц. Обычно они полагаются на делители мощности Уилкинсона, чтобы достичь тонкого баланса между хорошей изоляцией свыше 20 дБ и поддержанием потерь вставки ниже примерно 0,3 дБ. Такая конфигурация позволяет поддерживать приемлемые скорости передачи данных даже при покрытии расстояний около 200 метров, хотя все понимают, что mmWave по-прежнему большую часть времени требует достаточно четкой прямой видимости для правильной работы.

Проблемы управления сигналом в высокочастотных телекоммуникационных системах

Для высокочастотных 5G-систем делители мощности должны выдерживать экстремальные температурные условия, сохраняя уровень возвратных потерь ниже -15 дБ, чтобы избежать нежелательных несоответствий импеданса. При работе на частотах около 39 ГГц небольшие фазовые различия менее чем в 5 градусов между выходными сигналами могут серьезно нарушить диаграммы направленности. Такое искажение на самом деле снижает емкость сети примерно на 30–40 процентов, согласно исследованию Ponemon за 2023 год. Лучшие современные конструкции начинают включать материалы, компенсирующие температурные изменения, а также соединители с золотым покрытием. Эти компоненты помогают поддерживать нормальную работу даже при колебаниях внешней температуры более чем на 50 градусов Цельсия в год, что довольно часто происходит во многих местах развертывания.

Преодолевая эти технические трудности, делители мощности остаются незаменимыми для масштабирования инфраструктуры 5G с целью удовлетворения прогнозируемых требований к скорости передачи данных до 10 Гб/с и задержке менее 1 мс.

Перспективные тенденции: интеграция делителей мощности в ИПУ и миниатюрные модули

Интегральные пассивные устройства (ИПУ): рост рынка и телекоммуникационные применения

Телекоммуникационные компании быстро переходят к более компактным и эффективным сетевым конфигурациям, что объясняет растущую популярность интегральных пассивных устройств (ИПУ) в наши дни. Эти небольшие полупроводниковые модули объединяют на одном субстрате такие компоненты, как делители мощности, фильтры и направленные ответвители. В результате, базовым станциям требуется на 40, а иногда даже до 60 процентов меньше компонентов, чем раньше, и работают они при этом с меньшим выделением тепла. На перспективу, по мере расширения внедрения 5G по стране, эксперты рынка полагают, что спрос на ИПУ в телекоммуникационной отрасли, вероятно, будет увеличиваться примерно на 19% ежегодно до 2028 года. Миниатюризация радиочастотных передних цепей остается важным фактором, стимулирующим развитие этой тенденции, по мнению большинства аналитиков отрасли.

Делители мощности как встроенные компоненты в современных ВЧ-модулях

Ведущие производители теперь интегрируют делители мощности непосредственно в усилители СВЧ на нитриде галлия (GaN), создавая модули двойного назначения, которые занимают на 30% меньше места на печатной плате по сравнению с дискретными решениями. Такой совместный дизайн улучшает согласование импеданса на частотах миллиметровых волн, снижая потери вставки на 0,8–1,2 дБ в антеннах с фазированной решеткой на 28 ГГц.

Совмещение миниатюризации и производительности в конструкциях на основе интегральных пассивных устройств

Хотя ИПУ обеспечивают беспрецедентную экономию пространства, разработчики сталкиваются с необходимостью компромисса между уровнем изоляции (минимум -25 дБ для сетей 5G) и размерами корпуса менее 2,5 мм². Недавние достижения в интеграции конденсаторов с тонкопленочной подложкой и экранировании сквозных отверстий позволили достичь уровня изоляции -32 дБ на частоте 39 ГГц в производственных ИПУ-делителях мощности.

Часто задаваемые вопросы

Что такое пассивные компоненты в СВЧ и телекоммуникационных системах?

Пассивные компоненты являются важными элементами в ВЧ и телекоммуникационных системах, включая такие элементы, как резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности. Они выполняют ключевые функции, такие как согласование импеданса, фильтрация и хранение энергии, без добавления усиления или активного управления.

Как работают делители мощности в телекоммуникационных сетях?

Делители мощности используются для разделения входящего сигнала радиочастоты на несколько выходных путей с сохранением баланса импеданса. Они играют критическую роль в равномерном распределении сигналов в телекоммуникационных сетях, особенно в установках 5G.

В чем разница между делителями мощности и сумматорами?

Делители мощности разделяют один входной сигнал на несколько путей, тогда как сумматоры объединяют сигналы из нескольких источников в один выходной путь. Некоторые устройства, такие как гибридные направленные ответвители, могут выполнять обе функции.

Почему важно затухание вносимое в ВЧ делителях мощности?

Потери вносимого сигнала относятся к уменьшению мощности сигнала при его прохождении через делитель. Более низкие потери вносимого сигнала повышают энергоэффективность сети и производительность системы, особенно в высокочастотных приложениях.

Какие будущие тенденции влияют на проектирование делителей ВЧ-мощности?

Интеграция делителей мощности в миниатюрные модули и IPD является важной тенденцией, улучшающей эффективность и сокращающей количество компонентов, необходимых в телекоммуникационных системах.