Блог

Високоефективне екранування та стійкість до перешкод у коаксіальних кабелях RF

Основна структура коаксіальних кабелів RF

Коаксіальні кабелі RF забезпечують стійкість до перешкод завдяки багатошаровій конструкції: центральний провідник, оточений діелектричною ізоляцією, екраном та зовнішньою оболонкою. Шар діелектрика мінімізує електричні втрати, а екран утворює ефект Фарадєєвого клітку, що блокує зовнішні перешкоди.

Ефективність екранування в умовах сильних перешкод

Міські базові станції піддаються електромагнітним перешкодам (ЕМП) від ліній електропередач, радіопередавачів і промислового обладнання. Багатошарове екранування протидіє цьому шляхом поєднання тканини з покриттям 95% для пригнічення низькочастотних перешкод і фольгових шарів, що відбивають високочастотні ЕМП. Польові випробування показали, що такий двошаровий підхід зменшує перешкоди на 40–60 дБ порівняно з конструкціями з одним екраном.

Багатошарове екранування та блокування перешкод

Просунуті конфігурації використовують чотири екрануючі шари: два фольгових і два оплетених. Зовнішня фольга відбиває атмосферні ЕМП, тоді як внутрішнє оплетення поглинає струми заземлення. Варіанти зі спіральним оплетенням забезпечують більшу гнучкість без втрати покриття, що критично важливо для щогл, які потребують частого обслуговування.

Щільність оплетення та діелектричний вплив на чіткість сигналу

Вища щільність оплетення забезпечує на 15–20% краще пригнічення шумів у завантажених діапазонах. Діелектричні матеріали з низькими втратами, такі як пінополіетилен із введеним газом, зберігають цілісність сигналу, зменшуючи затухання на 0,3 дБ/м на частоті 3 ГГц.

Дослідження випадку: ефективність екранування базових станцій у містах

Аналіз 200 міських об'єктів у 2023 році показав, що багаторівневе екранування коаксіальних ВЧ-кабелів забезпечувало відповідність співвідношенню сигнал/шум (СШ) на рівні 98,7% навіть за наявності поблизу систем метро та малих сот 5G. Об'єкти з базовим екрануванням потребували на 33% більше ретрансляторів для досягнення порогових значень СШ.

Низькі втрати сигналу на великих відстанях завдяки конструкції коаксіального ВЧ-кабелю

Втрати сигналу в коаксіальних кабелях та частотно-залежне послаблення

Коаксіальні ВЧ-кабелі мінімізують погіршення сигналу завдяки точному інженерному проектуванню, при цьому послаблення зростає прямо пропорційно до частоти. На частоті 900 МГц стандартні кабелі RG-8 втрачають 7,6 дБ на 100 футів порівняно з 1,3 дБ на 50 МГц, що демонструє, як вищі частоти прискорюють розсіювання енергії у вигляді тепла. Цей закономірний явище вимагає вибору кабелів залежно від частоти для застосування на базових станціях.

Втрати сигналу в коаксіальному кабелі (на 10 футів) залежно від калібру та матеріалу

Тип кабелю	18 AWG (дБ)	14 AWG (дБ)	Діелектричний матеріал
Гнучкий дизайн	0.35	0.22	Піна з газонаповненням
Гофрована мідь	0.28	0.15	Композит на основі ПТЕФ

Товстіші провідники 14 AWG зменшують резистивні втрати на 37% порівняно з еквівалентами 18 AWG, тоді як діелектрики на основі ПТЕФ забезпечують стабільний імпеданс при коливаннях температури.

Порівняння гнучких кабелів з низькими втратами та гофрованих мідних кабелів

Що стосується коаксіальних кабелів RF, гнучкі варіанти мають додаткові втрати приблизно на 0,07 дБ на фут, але отримують у відповідь дещо цінне: вони можуть згинатися під кутом 180 градусів. Це робить їх ідеальними для дуже тісних просторів на комунікаційних вежах, де монтаж є складним завданням. Тепер корозійні мідні версії працюють інакше. Вони фактично зменшують втрату сигналу приблизно на 0,13 дБ на фут на частотах 6 ГГц, оскільки їхні зовнішні провідники працюють без переривань. Для міських макроклітинних установок багато монтажників використовують поєднання обох типів. Зазвичай вони прокладають корозійні кабелі вертикально через будівлі, оскільки вони краще витримують зміни температури в межах приблизно 2 градусів Цельсія. Потім безпосередньо на антеннах вони переходять на ті гнучкі перемички, про які ми говорили раніше. Це логічно, враховуючи, як ці системи повинні надійно працювати день за днем.

Тренд: передові пінодіелектрики, що зменшують втрати внесення

Нові дослідження показують, що ці спеціальні низькочастотні піни з діелектриками можуть значно зменшити внесені втрати — приблизно на 26 і навіть до 30 відсотків у порівнянні зі звичайними твердими сердечниками з поліетилену. Версії з повітряним наповненням здатні утримувати свої діелектричні сталі нижче 1,3, що є досить вражаючим, враховуючи, що вони все ще витримують зусилля понад 500 Ньютонів перед руйнуванням. Така продуктивність робить їх ідеальними для розгортання мереж 5G NR, оскільки вони допомагають досягти важливого стандарту 3GPP — не більше 3 дБ втрат на 100 метрів на частотах до 28 ГГц. Більшість провідних виробників починають застосовувати ці піни з градієнтним показником заломлення, оскільки вони добре мінімізують неприємні проблеми модової дисперсії, які виникають у різноманітних широкосмугових застосунках у різних галузях.

Стабільність імпедансу та КСХ для надійної передачі ВЧ-сигналу

Коефіцієнт стоячої хвилі напруги (КСХ) та пояснення стабільності імпедансу

Коаксіальні кабелі RF зберігають сигнал сильним за рахунок правильного контролю імпедансу. Коефіцієнт стоячої хвилі напруги, або VSWR, по суті вимірює, наскільки багато сигналу повертається назад при невідповідності імпедансу. Коли все ідеально узгоджено, ми отримуємо показник VSWR 1:1. Більшість сучасних базових станцій фактично працюють у діапазоні приблизно 1,4–1,5. Якщо щось починає йти не так і ми бачимо VSWR 2:1, близько 11 відсотків потужності повертається назад по лінії замість того, щоб досягти потрібного місця. Такі втрати швидко накопичуються з часом, особливо в великих мережах зв'язку.

Підтримка імпедансу 50 Ом для сумісності з базовими станціями

Телекомунікаційні компанії практично визначилися зі стандартом імпедансу 50 Ом як основним для забезпечення ефективної роботи ВЧ коаксіальних кабелів з усіма тими базовими станціями, що використовуються. Причина цього вибору досить проста: він забезпечує оптимальний баланс між потужністю, яку можуть передавати ці кабелі, та збереженням чистоти й ясності сигналу. Виробники досягають цього оптимального стану шляхом ретельного проектування форм провідників і вибору певних ізоляційних матеріалів. Останні покращення у так званих методах шестигранного оплетення ще більше поліпшили характеристики. Ці нові технології зменшують неоднорідність під час виробництва, що призводить до меншої варіативності від кабелю до кабелю. Як наслідок, більшість сучасних кабелів зберігають стабільне значення коефіцієнта стоячої хвилі (VSWR) у межах від 1,3 до 1 практично на всьому частотному діапазоні — від 600 МГц до 3,5 ГГц. Така стабільність полегшує роботу інженерам, які займаються встановленням мереж.

Реальний вплив поганого КСХН на ефективність передавача

Аналізуючи дані, зібрані на місцях у 2024 році, ми виявили, що на базових станціях, де КСХН перевищує 2:1, кількість несправностей підсилювачів за п'ять років зростає приблизно на 22 відсотки. Коли в системі виникає відбитий сигнал, передавачам потрібно працювати інтенсивніше, збільшуючи свій вихідний сигнал близько на 17%, лише для того, щоб система працювала стабільно. Ці додаткові зусилля мають і реальну вартість: щомісячні рахунки за електроенергію зростають приблизно на 74 долари за кожну міську соту. На щастя, сучасні адаптивні схеми узгодження імпедансу дають змогу це виправити. Ці системи здатні підтримувати КСХН на стабільному рівні з похибкою ±0,05, навіть коли температура різко змінюється в межах від -40 °C до +85 °C. Така стабільність має вирішальне значення для забезпечення надійної роботи мережі в складних умовах.

Мінімізація інтермодуляційних спотворень (PIM) у пасивних ВЧ-мережах

Перешкоди від взаємомодуляції (PIM) у пасивних компонентах — огляд

Пасивні перешкоди від взаємомодуляції, або скорочено PIM, виникають, коли кілька високопотужних ВЧ-сигналів зустрічаються всередині пасивних компонентів, таких як коаксіальні кабелі. Ці взаємодії створюють небажані інтерференційні сигнали, що погіршують загальну продуктивність мережі. Дослідження показують, що якщо потужність передавача зростає лише на 1 дБ, рівень PIM збільшується приблизно на 3 дБ. Це робить нові установки 5G особливо вразливими, оскільки вони працюють у значно ширших діапазонах частот. Для правильного функціонування сучасних систем LTE рівень PIM має залишатися нижчим за -169 дБвід, щоб приймачі могли отримувати сигнали з чутливістю до -126 дБм. Через цю вимогу виробники змушені дотримуватися дуже суворих рекомендацій щодо матеріалів та методів виготовлення ВЧ-коаксіальних кабелів, що особливо важливо в густонаселених міських районах, де якість сигналу має найбільше значення.

Коаксіальний кабель і PIM: як матеріали та з'єднання впливають

Нелінійні ефекти в точках контакту металу з металом становлять 78% випадків PIM. Основні чинники:

• З'єднувачі з нікельовим покриттям, які мають рівень PIM на 40% вищий, ніж варіанти зі срібним покриттям
• Неправильно гофровані екрани кабелів, що спричиняють інтерференційні піки на частотах 2,4 ГГц і вище
• Погано заплетені конструкції, що призводять до погіршення PIM на 15–20 дБ порівняно з компресійно-формованими конструкціями

Аналіз суперечок: чи всі низько-PIM кабелі варті своєї ціни?

Хоча преміальні низько-PIM кабелі зменшують перешкоди на 30–45 дБ в лабораторних умовах, реальна вигода різниться:

Сценарій розгортання	Стандартний кабель PIM	Покращення за рахунок низько-PIM кабеля	Період окупності
Макро-стани міста	-120 дБс	-150 дБс (25% потужності)	18 місяців
Сільські малих клітин	-135 дБс	-155 дБс (8% потужності)	5+ років

Ця розбіжність підживлює дискусії щодо економічно вигідних порогів ВПІ для різних умов розгортання.

Промисловий парадокс: висока надійність проти чутливості до ВПІ в щільних мережах

Зусилля досягти часу безвідмовної роботи 99,999% конфліктують із фізикою ВПІ; дублювання кабельних трас збільшує кількість металевих з'єднань на 60%, потенційно підвищуючи ризики відмов через ВПІ. У результаті сучасні конструкції базових станцій надають пріоритет централізованому контролю ВПІ, а не дублюванню апаратного забезпечення.

Стратегія: зменшення ВПІ шляхом дотримання найкращих практик монтажу

Польові дослідження підтверджують, що правильне встановлення зменшує позавітні відмови, пов’язані з ВПІ, на 53%:

• Використання ключів з обмеженням моменту затягування для щільності з'єднання 35-40 in-lb
• Проведення піврічних тестів зі сканування PIM при потужності передавача 43 дБм
• Уникання вигину кабелів під кутом менше ніж 4x радіус вигину поблизу антенних решіток

Ці протоколи допомагають зберегти продуктивність без необхідності повної заміни компонентів з низьким рівнем PIM

Діапазон частот, потужність і довговічність у різних умовах експлуатації

Діапазон частот і цілісність сигналу в сучасних базових блоках

Радіочастотні коаксіальні кабелі підтримують широку смугу пропускання, необхідну для 5G та попередніх поколінь систем, причому сучасні базові станції мають працювати в діапазоні від 600 МГц до 42 ГГц. Високоякісні кабелі забезпечують загасання <4 дБ/100 футів на частоті 6 ГГц. Їхня конструкція мінімізує фазові спотворення, що дозволяє одночасну передачу низькочастотних керуючих сигналів (1–3 ГГц) та високосмугових міліметрових хвиль (>24 ГГц)

Здатність коаксіальних кабелів витримувати потужність при постійному навантаженні

Потужність залежить від розміру провідника та стабільності діелектрика. Наприклад, кабелі діаметром ½ дюйма витримують 300 Вт постійної потужності (зі зниженням на 30% при 40 °C), тоді як конструкції діаметром 7/8 дюйма витримують до 2000 Вт пікових навантажень. Основні аспекти включають:

• Обмеження матеріалу : Мідь-покритий алюміній забезпечує постійну роботу при температурі 150 °C
• Пікова та середня потужність : Коефіцієнт безпеки 5:1 запобігає пробою діелектрика під час стрибків напруги

Теплове управління в потужних зовнішніх установках

Під час налаштування зовнішніх базових станцій важливо використовувати кабелі, які можуть працювати при екстремальних температурах — від -55 градусів Цельсія до 125 градусів Цельсія. Оболонка з ПТЕФ (політетрафторетилену) зберігає гнучкість кабелів навіть за температур нижче точки замерзання, близько -40 градусів Цельсія, а також добре протистоїть пошкодженню від тривалого впливу сонячного світла. Згідно з дослідженням 2023 року, використання комбінованого екранування з фольги та оплетення замість одного шару фактично знижує внутрішню температуру обладнання приблизно на 18 градусів Цельсія після трьох повних днів безперервних тестів під навантаженням. У найважливіших системах, де надійність має першорядне значення, інженери часто поєднують примусове повітряне охолодження з промисловими стандартами, такими як GR-487, який визначає, як обладнання має працювати при різних циклах температур протягом усього терміну експлуатації.

ЧаП

• Яка основна мета екранування в радіочастотних коаксіальних кабелях?
  Основна мета екранування в радіочастотних коаксіальних кабелях — це блокування зовнішніх перешкод, створюючи ефект клітки Фарадея навколо центрального провідника.
• Як багатошарове екранування зменшує перешкоди в міських умовах?
  Багатошарове екранування зменшує перешкоди шляхом поєднання щільного оплетення для придушення низькочастотних завад і фольгових шарів, які відбивають високочастотні електромагнітні перешкоди.
• Чому гнучкі кабелі віддають перевагу в певних установках?
  Гнучкі кабелі використовують у тісних приміщеннях, де потрібне згинання та маневреність, тоді як гофровані мідні кабелі забезпечують менші втрати сигналу та краще регулювання температури.
• Яку роль відіграють сучасні пінодіелектрики в сучасних радіочастотних мережах?
  Сучасні пінодіелектрики мінімізують внесені втрати, допомагаючи відповідати жорстким стандартам, таким як вимога 3GPP щодо мінімальних втрат у мережах 5G.
• Що таке КСХ і чому він важливий?
  Коефіцієнт стоячої хвилі напруги (VSWR) вимірює відбиття сигналу в ВЧ-системі. Правильне узгодження імпедансу мінімізує VSWR, забезпечуючи ефективну передачу сигналу.
• Як PIM впливає на пасивні ВЧ-мережі та які заходи можуть зменшити цей вплив?
  PIM спричиняє перешкоди, генеруючи небажані сигнали; ефективними заходами є правильний підбір матеріалів, методів з'єднання та протоколів встановлення.