Blog

Úloha pasívnych komponentov v RF a telekomunikačných systémoch

Pochopenie pasívnych komponentov v RF a telekomunikačných systémoch

Pasívne súčiastky tvoria základné stavebné bloky RF a telekomunikačných systémov, ktoré umožňujú kritickú úpravu signálu bez použitia zosilnenia alebo aktívnej regulácie. Na rozdiel od aktívnych súčiastok, ako sú tranzistory alebo zosilňovače, pasívne prvky ako odpory, kondenzátory a cievky fungujú výhradne prostredníctvom interakcií elektromagnetického poľa. Ich hlavné funkcie zahŕňajú:

• Zápoved impedancie : Zabezpečenie efektívneho prenosu výkonu medzi jednotlivými stupňami obvodu.
• Filtrovanie : Blokovanie nežiaducich frekvencií pri zachovaní integrity signálu.
• Skladovanie energie : Dočasné udržiavanie náboja alebo magnetickej energie pre účely časovania a stability.

Tieto súčiastky sú nevyhnutné pri formovaní správania signálu, najmä v prostredí vysokých frekvencií, kde minimálne vložné straty a presné prispôsobenie impedancie určujú účinnosť systému.

Rozdeľovanie a kombinovanie signálov v telekomunikačných sieťach

Pasívne komponenty, ako sú rozdeľovače výkonu, majú v súčasných telekomunikačných sieťach veľký význam pri distribúcii signálov v rámci viacanténnych konfigurácií a rozmiestnených rádiových jednotiek, ktoré dnes vidíme všade. Keď rádiový frekvenčný (RF) signál vstúpi do základňovej stanice, zvyčajne je potrebné ho rozdeliť na niekoľko rôznych ciest, aby mohol dosiahnuť všetky tieto antény alebo inštalácie malých buniek bez narušenia časovania medzi nimi. Väčšina inžinierov na túto úlohu využíva smerové vazebné články alebo Wilkinsonove deliče. Tieto zariadenia dokážu rozdeľovať signály v pomeroch až do 1:32 a zároveň udržať vložný útlm pod 0,5 dB, čo vyplýva z meraní vykonaných okolo frekvenčných pásiem 3,5 GHz počas minuloročných terénnych testovaní. Analýza spôsobu fungovania RF podsystémov v našej súčasnej bezdrôtovej infraštruktúre ukazuje, že tieto jednoduché pasívne komponenty majú významný vplyv na to, čo 5G siete dokážu z hľadiska kapacity a odozvy, pretože umožňujú presné formovanie lúčov spolu s technikami agregácie nosných vĺn. Výzvou pre návrhárov je nájsť správnu rovnováhu medzi výkonom, ktorý tieto komponenty dokážu vydržať, a ich veľkosťou, najmä v mestských oblastiach, kde frekvencie v pásmach mmWave vyžadujú komponenty, ktoré sa musia zmestiť do mimoriadne tesných priestorov.

Ako fungujú rozdeľovače výkonu: Základná funkčnosť a kľúčové vlastnosti

Funkcia rozdeľovačov výkonu pri distribúcii signálu

Rozdeľovače výkonu sú v podstate pasívne súčiastky používané v celých telekomunikačných sieťach. Vezmú prichádzajúci signál vysokofrekvenčného rádia a rozdelia ho na niekoľko výstupných ciest, pričom udržiavajú vyváženú impedanciu. Hlavnou úlohou týchto zariadení je rovnomerné šírenie signálov cez rôzne časti siete vrátane bežných antén, tých špeciálnych distribuovaných anténnych systémov, ktoré nazývame DAS, a všetkých tých základňových staníc. Pri inštalácii sietí 5G technici často potrebujú rozdeliť jeden signál 3,5 GHz buď na dve, alebo štyri samostatné cesty, aby mohli dosiahnuť viacero oblastí naraz. To pomáha poskytovateľom služieb dosiahnuť lepšie pokrytie bez toho, aby vznikli ďalšie interferenčné problémy.

Rozdeľovače výkonu vs. zlučovače v telekomunikačných aplikáciách

Ľudia ich často plútia, ale rozdeľovače a zlučovače v skutočnosti robia opačné veci. Rozdeľovače berú signál prichádzajúci z jedného miesta a súčasne ho posiela na viacero rôznych miest. Zlučovače pracujú opačne, berú signály z viacerých zdrojov a zlučujú ich do jediného výstupného kanála. Niektoré modely rozdeľovačov môžu v prípade potreby fungovať aj ako zlučovače, najmä tie s obojsmernými vlastnosťami. Vezmite napríklad hybridné vazebné články – tieto zariadenia umožňujú zlúčiť signály z dvoch samostatných vysielačov na jedinom pripojovacom bode antény. Najdôležitejšie je, že tieto zariadenia udržiavajú samostatné signály izolované od seba navzájom. To má veľký význam v oblastiach, kde je veľa bezdrôtových signálov stlačených dokopy, ako sú veľké mestské oblasti, pretože inak by všetky tieto signály začali navzájom rušiť.

Kľúčové ukazovatele výkonu: pomer rozdelenia, vložný útlm a izolácia

Tri ukazovatele definujú účinnosť rozdeľovača:

• Pomer rozdelenia : Opisuje výstupné rozdelenie (napr. 1:2 pre rovnaké rozdelenie).
• Strata vloženia : Útlm výkonu signálu cez zariadenie, typicky 0,1–3 dB u kvalitných modelov. Štúdie odvetvia ukazujú, že útlmy pod 1 dB zlepšujú energetickú efektívnosť siete o 12–18 % (Ponemon Institute, 2023).
• Izolácia : Zabraňuje úniku signálu medzi výstupnými portmi, u luxusných modelov prekračuje 20 dB, čím sa predchádza interferencii v systémoch s viacerými nosnými frekvenciami.

Tieto parametre priamo ovplyvňujú spoľahlivosť siete, najmä pri nasadeniach 5G v pásmach mmWave, kde je nevyhnutná integrita signálu.

Typy a konštrukčné kompromisy RF deličov výkonu

RF deliče výkonu sú pasívne komponenty kritické pre riadenie integrity signálu v telekomunikačných systémoch, pričom ich výkon je priamo závislý od konštrukčných rozhodnutí. Nižšie si predstavíme ich hlavné varianty, technické kompromisy a prevádzkové dopady.

Bežné typy deličov výkonu: Wilkinsonov, Smerový a Rezistívny

Tri hlavné architektúry RF deličov výkonu plnia rozličné úlohy:

• Wilkinsonove deliče používajú štvrťvlnné transformátory na rozdeľovanie signálov pri zachovaní izolácie portov, čo ich činí ideálnymi pre vysokofrekvenčné aplikácie, ako sú anténne sústavy 5G. Štúdia z roku 2024 o RF systémoch zdôrazňuje ich nízke vložné útlmy (zvyčajne <0,3 dB) a schopnosť vydržať až 100W výkonové úrovne.
• Smerové deliče využívajú viazané prenosové linky pre frekvenčne selektívne smerovanie signálov, často používané pri frekvenčnom duplexnom multiplexovaní.
• Rezistívne deliče ponúkajú široké pásmo a kompaktné rozmery, ale obetujú izoláciu (často <20 dB), čo obmedzuje ich použitie na nízkovýkonové skúšobné zariadenia.

Vložný útlm a izolácia: Vplyv na účinnosť siete

Vložný útlm (2–3 dB v komerčných deličoch) priamo znižuje priepustnosť siete, zatiaľ čo nedostatočná izolácia (cieľ >30 dB pre 5G) spôsobuje únik signálu medzi portmi. Napríklad 1 dB útlmu v masívnej MIMO sústave 64T64R môže podľa nedávnych terénnych skúšok zhoršiť priepustnosť na okraji bunky o 15–20 %.

Kompromisy pri návrhu: Kompaktná veľkosť vs. vysoká izolácia a výkonová odolnosť

Zmenšovanie deličov výkonu pre malé bunky často núti inžinierov akceptovať o 10–15 % nižšiu výdrž výkonu alebo o 5–8 dB zníženú izoláciu. Pokročilé substráty, ako je GaN-on-SiC, pomáhajú znížiť tieto straty, čo umožňuje výrobu Wilkinsonových deličov o 40 % menších bez poškodenia výkonu pri 2,4 GHz v najnovších nasadeniach mmWave.

Použitie deličov výkonu v sietiach 5G a moderných bezdrôtových infraštruktúrach

Deliče výkonu v 5G základňových stanicách a malých bunkách

Rozdeľovače výkonu sú neoddeliteľnou súčasťou akejkoľvek 5G siete, ktoré pomáhajú správne distribuovať signály v rámci rozsiahlych MIMO anténnych systémov, ktoré dnes vidíme všade. V súčasnosti sa väčšina základňových staníc spolieha na ich schopnosť rozdeľovať vysokofrekvenčné signály rovnomerne medzi približne 64 alebo dokonca 128 rôznych anténnych bodov. Tým sa zabezpečuje rovnomerné pokrytie územia a presná orientácia signálových lúčov. Pri nasadení menších buniek v husto zastavaných mestských oblastiach získavajú na význame kompaktné verzie týchto rozdeľovačov. Znižujú stratu signálu a zároveň sa zmestia do obmedzeného priestoru, napríklad na vrchole pouličných lampách alebo pri montáži na stenách budov, kde technickému personálu záleží na každom centimetrovi.

Nasadenie v reálnych mmWave 5G sieťach

Frekvencie milimetrových vĺn nad 24 GHz majú skutočne problémy s šírením signálu, napríklad s pohlcovaním atmosférou a so zlou difrakciou okolo prekážok. Pre tieto vysoké frekvenčné pásma sa inžinieri uchyľujú k rozdeľovačom výkonu, ktoré pomáhajú znížiť straty signálu tým, že delia signály pre tieto fázované anténne sústavy, ktoré dokážu smerovať svoje lúče presne tam, kde sú potrebné. Vezmite si napríklad bežnú základňovú stanicu 5G na frekvencii 28 GHz. Tieto zariadenia zvyčajne využívajú Wilkinsonove rozdeľovače výkonu na dosiahnutie jemnej rovnováhy medzi dobrou izoláciou vyššou ako 20 dB a udržaním vložných strát pod hranicou približne 0,3 dB. Táto konfigurácia umožňuje udržať slušnú rýchlosť prenosu dát aj pri pokrytí vzdialeností približne 200 metrov, aj keď každý vie, že mmWave na správne fungovanie vo väčšine prípadov stále vyžaduje jasnú priamu viditeľnosť.

Výzvy správy signálu vo vysokofrekvenčných telekomunikačných systémoch

Pre systémy s vysokou frekvenciou 5G musia deliče výkonu vydržať extrémne tepelné podmienky a zároveň udržať straty odrazu pod -15 dB, aby sa zabránilo tým neprijemným nesúhlasom impedancie. Pri prevádzke na frekvenciách okolo 39 GHz môžu malé fázové rozdiely len o niečo menej ako 5 stupňov medzi výstupnými signálmi výrazne narušiť vzorce lúčov. Tento typ skreslenia skutočne znižuje kapacitu siete o približne 30 až 40 percent podľa výskumu spoločnosti Ponemon z roku 2023. Najlepšie súčasné návrhy začínajú zahŕňať materiály kompenzujúce teplotu spolu s konektormi pokovenými zlatom. Tieto komponenty pomáhajú udržať všetko v prevádzke aj vtedy, keď vonkajšia teplota kolíše viac než o 50 stupňov Celzia každoročne, čo sa v mnohých lokalitách nasadenia vyskytuje pomerne často.

Riešením týchto technických prekážok deliče výkonu zostávajú nevyhnutné pre rozširovanie infraštruktúry 5G, aby mohli spĺňať predpokladané požiadavky na rýchlosť 10 Gbps a oneskorenie pod 1 ms.

Budúce trendy: Integrácia rozdeľovačov výkonu v IPD a miniaturizovaných moduloch

Integrované pasívne zariadenia (IPD): Rast trhu a telekomunikačné aplikácie

Telekomunikačné spoločnosti sa rýchlo presúvajú k menším a efektívnejším sieťovým konfiguráciám, čo vysvetľuje, prečo sú integrované pasívne zariadenia (IPD) dnes veľmi populárne. Tieto malé polovodičové moduly spájajú veci ako rozdeľovače výkonu, filtre a vazebné články všetko na jednom substráte. Výsledok? Základňové stanice potrebujú asi o 40 až dokonca 60 percent menej komponentov ako predtým a navyše bežia chladnejšie. Do budúcnosti, keď sa 5G stále rozširuje po krajine, odborníci na trh predpokladajú, že dopyt po IPD v telekomunikačnom sektore pravdepodobne stúpne približne o 19 percent ročne do roku 2028. Miniaturizácia týchto RF čelných koncov zostáva podľa väčšiny pozorovateľov z priemyslu hlavným katalyzátorom tohto trendu.

Rozdeľovače výkonu ako zabudované súčiastky v pokročilých RF moduloch

Vedúce výrobné podniky teraz integrujú deliče výkonu priamo do RF zosilňovačov z nitridu galia (GaN), čím vznikajú moduly s dvojitou funkciou, ktoré využívajú o 30 % menej miesta na doske plošných spojov ako diskrétne konfigurácie. Tento spôsob návrhu zlepšuje prispôsobenie impedancie na frekvenciách mmWave, čím sa znížia vložné straty o 0,8–1,2 dB v anténach s fázovaným radom pri 28 GHz.

Rovnováha medzi miniaturizáciou a výkonom v návrhoch založených na IPD

Hoci IPD umožňujú nevídané úspory miesta, dizajnéri musia čeliť kompromisom medzi izoláciou (minimálne -25 dB pre siete 5G) a veľkosťou puzdra pod 2,5 mm². Nedávne pokroky v integrácii kondenzátorov vo vrstvách a krytím vodičov v substráte posunuli metriky izolácie na -32 dB pri 39 GHz v sériovo vyrábaných deličoch výkonu IPD.

Často kladené otázky

Čo sú pasívne súčiastky v RF a telekomunikačných systémoch?

Pasívne súčiastky sú základnými stavebnými prvkami v RF a telekomunikačných systémoch, vrátane prvkov, ako sú odpory, kondenzátory a cievky. Vykonávajú kritické funkcie, ako je prispôsobenie impedancie, filtrovanie a ukladanie energie, bez toho, aby pridávali zosilnenie alebo aktívne riadenie.

Ako fungujú deliče výkonu v telekomunikačných sieťach?

Deliče výkonu sa používajú na rozdelenie prichádzajúceho vysokofrekvenčného signálu na viaceré výstupné cesty, pričom udržiavajú impedančnú rovnováhu. Sú kritické pre rovnomerné distribuovanie signálov v telekomunikačných sieťach, najmä v konfiguráciách 5G.

Aký je rozdiel medzi deličmi výkonu a zlučovačmi?

Deliče výkonu rozdeľujú jeden vstupný signál na viaceré cesty, zatiaľ čo zlučovače spájajú signály z viacerých zdrojov do jednej výstupnej cesty. Niektoré zariadenia, ako napríklad hybridné vazebné články, môžu vykonávať obe funkcie.

Prečo je vložný útlm významný u RF deličov výkonu?

Strata vloženia označuje pokles výkonu signálu pri prechode cez deličku. Nižšie straty vloženia zvyšujú energetickú efektívnosť siete a výkon systému, najmä v aplikáciách s vysokou frekvenciou.

Aké súčasné trendy ovplyvňujú návrh deličiek RF výkonu?

Integrácia deličiek výkonu do miniaturizovaných modulov a IPD predstavuje významný trend, ktorý zvyšuje efektívnosť a znižuje počet komponentov potrebných v telekomunikačných systémoch.