Блог

Роль пасивних компонентів у ВЧ- та телекомунікаційних системах

Ознайомлення з пасивними компонентами у ВЧ- та телекомунікаційних системах

Пасивні компоненти є основними будівельними блоками ВЧ- та телекомунікаційних систем, забезпечуючи критичну обробку сигналів без підсилення або активного керування. На відміну від активних компонентів, таких як транзистори чи підсилювачі, пасивні елементи, як-от резистори, конденсатори та котушки індуктивності, працюють виключно за рахунок взаємодії електромагнітних полів. Їхні основні функції включають:

• Згодження імпедансу : Забезпечення ефективної передачі потужності між етапами ланцюга.
• Фільтрація : Блокування небажаних частот із збереженням цілісності сигналу.
• Зберігання енергії : Тимчасове зберігання електричного заряду або магнітної енергії для забезпечення точності та стабільності.

Ці компоненти є незамінними у формуванні поведінки сигналу, особливо в середовищах з високою частотою, де мінімальні втрати внесення та точне узгодження імпедансу визначають ефективність системи.

Розподіл та об'єднання сигналів у телекомунікаційних мережах

Пасивні компоненти, такі як дільники потужності, мають дуже важливе значення в сучасних телекомунікаційних мережах, коли мова йде про розподіл сигналів у багатоантенних системах і розподілених радіомодулях, які зараз скрізь використовуються. Коли ВЧ-сигнал потрапляє в базову станцію, зазвичай виникає потреба розділити його на кілька окремих шляхів, щоб забезпечити його передачу до всіх цих антен або міні-базових станцій без порушення синхронізації між ними. Більшість інженерів покладаються на направлені відводи або дільники Вілкінсона для виконання цієї задачі. Ці пристрої дійсно можуть розділювати сигнали у співвідношенні до 1:32, і їм вдається зберігати втрати на внесення меншими за 0,5 дБ, згідно з вимірюваннями, проведеними на частотних діапазонах близько 3,5 ГГц під час польових випробувань минулого року. Аналіз роботи радіочастотних підсистем у нашій сучасній безпровідній інфраструктурі показує, що ці прості пасивні компоненти суттєво впливають на можливості мереж 5G щодо ємності та швидкості реакції, оскільки вони забезпечують точне формування променів і використання технологій агрегації несучих. Проблемою для розробників є пошук правильного балансу між рівнем потужності, яку можуть витримати ці компоненти, і їхніми розмірами, особливо в густо населених міських районах, де на частотах мм-діапазону потрібні компоненти, які можна встановити в надзвичайно обмежених просторах.

Як працюють розподільники потужності: основні функції та ключові характеристики

Функція розподільників потужності у розподілі сигналу

Розподільники потужності — це, по суті, пасивні компоненти, які використовуються в усій телекомунікаційній мережі. Вони приймають вхідний сигнал радіочастоти та розділяють його на кілька вихідних шляхів, зберігаючи при цьому баланс імпедансу. Основне завдання цих пристроїв — рівномірно розповсюджувати сигнали по різних частинах мережі, включаючи звичайні антени, ті розподілені антенні системи, які ми називаємо DAS, а також усі ті базові станції. Під час налаштування мереж 5G техніки часто мають потребу розділити один сигнал 3,5 ГГц на два або чотири окремі шляхи, щоб мати змогу охопити кілька зон одночасно. Це допомагає операторам послуг отримати краще покриття без створення зайвого заваджування.

Розподільники потужності проти комбайнерів у телекомунікаційних застосуваннях

Люди часто плутають їх між собою, але розподільники та об'єднувачі насправді виконують протилежні функції. Розподільники беруть сигнал, що надходить з одного джерела, і передають його одночасно в кілька різних напрямків. Об'єднувачі працюють навпаки — вони збирають сигнали з кількох джерел і об'єднують їх у єдиний вихідний сигнал. Деякі моделі розподільників можуть виконувати функції об'єднувачів, особливо якщо вони мають двосторонній зв'язок. Візьмемо, наприклад, гібридні направлені мостові схеми — ці пристрої дозволяють об'єднати сигнали від двох окремих передавачів у єдине антенне з'єднання. Найважливіше тут — забезпечити ізоляцію окремих сигналів один від одного. Це має велике значення в районах, де безліч радіосигналів зосереджена в одному місці, наприклад, у великих містах, адже в іншому випадку усі ці сигнали почнуть заважати один одному.

Ключові показники продуктивності: коефіцієнт розподілу, втрати на внесення та ізоляція

Три показники визначають ефективність розподільника:

• Відношення розподілу : Описує розподіл виводу (наприклад, 1:2 для рівного розподілу).
• Внесення втрати : Зменшення потужності сигналу через пристрій, зазвичай 0,1–3 дБ у високоякісних моделях. Дослідження галузі показують, що втрати нижче 1 дБ підвищують енергоефективність мережі на 12–18% (Ponemon Institute, 2023).
• Ізоляція : Запобігає витоку сигналу між вихідними портами, перевищуючи 20 дБ у преміальних моделях, щоб уникнути перешкод у багаточастотних системах.

Ці параметри безпосередньо впливають на надійність мережі, особливо в розгортанні 5G у діапазоні мм-хвиль, де цілісність сигналу є критично важливою.

Типи та компроміси в конструкції розподілювачів RF-потужності

Розподілювачі RF-потужності є пасивними компонентами, важливими для забезпечення цілісності сигналу в телекомунікаційних системах, а їхня продуктивність безпосередньо залежить від вибору конструкції. Нижче ми розглянемо їхні основні різновиди, технічні компроміси та експлуатаційні наслідки.

Поширені типи розподілювачів потужності: Вілкінсона, направлені та резистивні

Три основні архітектури розподілювачів RF-потужності виконують різні ролі:

• Розподілювачі Вілкінсона використовують трансформатори з чвертьхвилевою довжиною для розподілу сигналів з одночасним збереженням ізоляції портів, що робить їх ідеальними для високочастотних застосувань, таких як антенні ґратки 5G. Дослідження 2024 року щодо радіочастотних систем підкреслює їхні низькі втрати внесення (зазвичай <0,3 дБ) і здатність витримувати рівні потужності до 100 Вт.
• Направлені подільники використовують зв’язані лінії передачі для частотно-селективного маршрутизації сигналів, часто застосовуються у частотному поділі дуплексного зв’язку.
• Резистивні подільники пропонують широку смугу пропускання та компактні розміри, але жертвують ізоляцією (часто <20 дБ), що обмежує їх використання у малопотужному випробувальному обладнанні.

Втрати внесення та ізоляція: вплив на ефективність мережі

Втрати внесення (2–3 дБ у комерційних подільниках) прямо зменшують пропускну здатність мережі, тоді як недостатня ізоляція (>30 дБ, необхідна для 5G) призводить до витоку сигналів між портами. Наприклад, втрати на 1 дБ у масиві MIMO з 64T64R можуть погіршити продуктивність на краях комірки на 15–20%, згідно з останніми польовими випробуваннями.

Компроміси у проектуванні: компактність проти високої ізоляції та витривалості до потужності

Мініатюризація сплітерів для малих сот часто змушує інженерів приймати на 10–15% нижче керування потужністю або на 5–8 дБ зменшену ізоляцію. Продвинуті підкладки, такі як GaN-on-SiC, допомагають зменшити ці втрати, забезпечуючи на 40% менші сплітери Вілкінсона без погіршення характеристик на 2,4 ГГц у сучасних розгортаннях мм-хвиль.

Застосування розділювачів потужності в 5G та сучасних бездротових інфраструктурах

Розділювачі потужності в базових станціях 5G та малих сотах

Розподільники живлення є важливими компонентами будь-якої установки 5G, допомагаючи правильно розподіляти сигнали по тих великих системах MIMO, які ми бачимо тепер скрізь. У даний час більшість базових станцій покладаються на них для розподілу високочастотних сигналів, щоб рівномірно передавати їх приблизно до 64 або навіть 128 різних антенних точок. Це допомагає підтримувати стабільне покриття на всій території та забезпечує точне спрямування променів туди, куди потрібно. У разі встановлення малих сот в умовах густого міста, компактні версії таких розподільників стають дуже важливими. Вони зменшують втрати сигналу, одночасно вписуючись у обмежені простори, такі як верхні частини вуличних ліхтарів або стіни будівель, де місця для телекомунікаційних бригад, що займаються налаштуванням, дуже мало.

Реальне розгортання в мережах 5G у діапазоні міліметрових хвиль

Частоти міліметрових хвиль вище 24 ГГц дійсно мають проблеми поширення, наприклад, вони поглинаються атмосферою і погано огинають перешкоди. Для цих високочастотних діапазонів інженери вдаються до використання розподілювачів потужності, які допомагають зменшити втрати сигналу, розділяючи сигнали для тих фазованих антенних решіток, які насправді можуть направляти свої промені туди, де це потрібно. Візьмімо, наприклад, стандартну базову станцію 5G на 28 ГГц. Зазвичай вона покладається на розділювачі потужності Вілкінсона, щоб досягти тонкого балансу між гарною ізоляцією понад 20 дБ і збереженням втрат вставлення нижче приблизно 0,3 дБ. Ця конфігурація дозволяє підтримувати прийнятну швидкість передачі даних навіть на відстанях приблизно 200 метрів, хоча всі знають, що для mmWave все одно потрібно досить чітке прямокутне поширення для належного функціонування більшість часу.

Виклики у керуванні сигналами в телекомунікаційних системах з високою частотою

Для систем 5G з високою частотою, дільники потужності мають витримувати екстремальні температурні умови й одночасно підтримувати коефіцієнт придушення відбиття нижче -15 дБ, щоб уникнути неприємних невідповідностей імпедансу. Під час роботи на частотах близько 39 ГГц, незначні фазові відмінності менше ніж 5 градусів між вихідними сигналами можуть серйозно порушити діаграми спрямованості. Така дисторсія насправді зменшує ємність мережі приблизно на 30–40 %, згідно з дослідженням Ponemon за 2023 рік. Найкращі сучасні конструкції починають включати матеріали, що компенсують температурні зміни, а також з'єднувачі з позолоченими контактами. Ці компоненти допомагають зберігати стабільну роботу навіть тоді, коли зовнішні температури коливаються більш ніж на 50 градусів Цельсія протягом року, що досить часто трапляється в багатьох регіонах розгортання.

Подолавши ці технічні перешкоди, дільники потужності залишаються незамінними для масштабування інфраструктури 5G, щоб відповідати прогнозованим вимогам щодо швидкостей 10 Гбіт/с та затримки менше 1 мс.

Майбутні тенденції: Інтеграція розподілювачів потужності в IPD та мініатюрні модулі

Інтегральні пасивні пристрої (IPD): ринковий ріст та телекомунікаційні застосування

Телекомунікаційні компанії швидко рухаються до менших і більш ефективних мереж, що пояснює чому інтегральні пасивні пристрої (IPD) набирають популярності сьогодні. Ці маленькі напівпровідникові модулі об'єднують такі компоненти, як розподілювачі потужності, фільтри та зв'язувальні пристрої на одному субстраті. Результатом є те, що базовим станціям потрібно приблизно на 40 до навіть 60 відсотків менше компонентів, ніж раніше, а також вони працюють прохолодніше. На майбутнє, оскільки 5G продовжує розгортатися по країні, експерти ринку вважають, що попит на IPD у телекомунікаційній сфері, ймовірно, зростатиме приблизно на 19% щорічно до 2028 року. Мініатюризація радіочастотних передніх кінців залишається важливим чинником цього тренду, згідно з більшістю аналітиків галузі.

Розподілювачі потужності як вбудовані компоненти в сучасних радіочастотних модулях

Ведучі виробники тепер інтегрують розподільники живлення безпосередньо в радіочастотні підсилювачі на основі нітриду галію (GaN), що дозволяє створювати багатофункціональні модулі, які займають на 30% менше місця на друкованій платі порівняно з дискретними рішеннями. Такий спільний дизайн покращує узгодження імпедансу на частотах мм-хвильового діапазону, зменшуючи втрати включення на 0,8–1,2 дБ у фазованих антенних решітках з частотою 28 ГГц.

Пошук балансу між мініатюризацією та продуктивністю в проектуванні на основі IPD

Хоча IPD забезпечують небачене раніше економію місця, проектувальники стикаються з необхідністю пошуку компромісу між рівнем ізоляції (не менше -25 дБ для мереж 5G) і розміром корпусів менше 2,5 мм². Нові досягнення в інтеграції тонкоплівкових конденсаторів і екрануванні отворів в основі підкладки дозволили досягти рівня ізоляції -32 дБ на частоті 39 ГГц у виробничих розподільниках живлення на основі IPD.

ЧаП

Що таке пасивні компоненти в радіочастотних і телекомунікаційних системах?

Пасивні компоненти є ключовими елементами в радіочастотних та телекомунікаційних системах, включаючи такі елементи, як резистори, конденсатори та котушки індуктивності. Вони виконують важливі функції, такі як узгодження опорів, фільтрація та зберігання енергії, не додаючи підсилення або активного керування.

Як працюють дільники потужності в телекомунікаційних мережах?

Дільники потужності використовуються для розподілу вхідного радіочастотного сигналу на кілька вихідних шляхів зі збереженням балансу опору. Вони мають критичне значення для рівномірного розподілу сигналів у телекомунікаційних мережах, особливо в системах 5G.

Яка різниця між дільниками потужності та об'єднувачами?

Дільники потужності розділяють один вхідний сигнал на кілька шляхів, тоді як об'єднувачі зливають сигнали з кількох джерел в один вихідний шлях. Деякі пристрої, такі як гібридні направлені мостки, можуть виконувати обидві функції.

Чому втрата внесення є суттєвою в радіочастотних дільниках потужності?

Втрата внаслідок внесення вказує на зменшення потужності сигналу під час проходження через розділювач. Зниження втрат внаслідок внесення підвищує енергоефективність мережі та продуктивність системи, особливо в застосунках з високою частотою.

Які майбутні тенденції впливають на проектування розділювачів RF?

Інтеграція розділювачів потужності в мініатюрні модулі та IPD є суттєвою тенденцією, що підвищує ефективність і зменшує кількість компонентів, необхідних у телекомунікаційних системах.