دليل اختيار مرشحات الترددات اللاسلكية: الاعتبارات الأساسية لمشاريع أنظمة التوزيع الموزعة (DAS) ومحطات القاعدة

إذا اخترت المرشح الخاطئ، فقد تتدهور جودة إشارة نظامك بأكمله بشكل كبير.

في أنظمة الترددات اللاسلكية، من السهل إغفال المرشحات — فهي ليست ظاهرة للعيان مثل الهوائيات، ولا “ملحوظة” مثل مضخمات الطاقة. لكن هذا المكون السلبي المتواضع، عندما يُختار بشكل صحيح، يعمل بهدوء في الخلفية؛ أما إذا أُخطئ في اختياره، فيمكن أن يعرقل أداء النظام بأكمله DAS أو مشروع محطة قاعدية إلى تعديلات لا تنتهي وشكاوى من العملاء.

على مر السنين، شاهدتُ عددًا لا بأس به من المشاريع التي قام فيها فريق التركيب بتركيب مقسمات الطاقة والموصلات بشكل صحيح، ولكن عندما يتعلق الأمر بالمرشح، كانوا يكتفون باختيار أي شيء “جيد بما يكفي” ويقومون بتثبيته. والنتيجة؟ تسربت تداخلات خارج النطاق، وانخفضت حساسية الاستقبال إلى أدنى مستوى، ولم يكن بالإمكان خفض أداء PIM مهما بذلنا من جهد. وبعد استبدال المرشح، اختفت المشكلة.

يتجنب هذا المقال النظريات النظرية ويذهب مباشرة إلى النقاط الهندسية التي يجب أخذها في الاعتبار — أي المعلمات التي تهم فعليًّا عند اختيار مرشح.

مرشح النطاق الترددي، مرشح حجب النطاق الترددي، مرشح الترددات المنخفضة، مرشح الترددات العالية – اختر النوع الصحيح أولاً

يشعر العديد من المهندسين المبتدئين بالارتباك عند النظر إلى جدول اختيار المرشحات. فسلسلة الأرقام والحروف التي يتألف منها رقم الطراز تجعلهم لا يعرفون من أين يبدأون. لكن الخطوة الأولى بسيطة: عليك تحديد نوع المرشح الذي تحتاجه فعليًّا.

مرشحات الترددات المحددة النطاق هي النوع الأكثر شيوعًا في أنظمة الترددات اللاسلكية. وتتمثل مهمتها في أمر بسيط – السماح بمرور الإشارات في نطاق ترددي محدد وحجب كل ما عدا ذلك. وستجد مرشحات النطاق الترددي في كل مكان: في مسارات الإرسال والاستقبال بمحطات القاعدة، والواجهات الأمامية لأنظمة التوزيع الموزعة (DAS)، ومراحل الإدخال في المكررات.

مرشحات حجب النطاق (مرشحات الشق) بل على العكس تمامًا – فهي تحجب نطاقًا تردديًّا ضيقًا فقط وتسمح بمرور كل ما عدا ذلك. وعادةً ما تُستخدم هذه المرشحات عند وجود مشكلة تداخل محددة، مثل وجود إشارة تداخل قوية تقع داخل نطاق الاستقبال الخاص بك تمامًا – حيث يمكن لمرشح حجب النطاق أن يزيلها.

مرشحات الترددات المنخفضة والترددات العالية تُستخدم هذه الأساليب بشكل أقل تواترًا، ولا سيما في معالجة التحيز بالتيار المستمر، وقمع التوافقيات، والسيناريوهات المماثلة. وغالبًا ما ترى مرشحات الترددات المنخفضة عند مخرج مضخمات الطاقة لتنقية التوافقيات الناتجة عن المضخم.

فقدان الإدراج – يختفي الإشارة قبل أن تصل إلى الهوائي أصلاً

من المرجح أن يكون «فقدان الإدخال» هو المعلمة الأولى التي يراعيها الناس عند الاختيار، لكنه في الوقت نفسه أحد أكثر المعلمات التي يساء فهمها.

ببساطة، يُشير “فقدان الإدخال” إلى مقدار طاقة الإشارة التي «تُفقد» أثناء مرورها عبر المرشح. إذا كان للمرشح خسارة إدخال تبلغ 0.5 ديسيبل، فإن تغذيته بقدرة 100 واط ستعطيك مخرجًا يبلغ 89 واط تقريبًا – أي أن 11 واط من الطاقة تتبدد داخل المرشح. وإذا وصلت خسارة الإدخال إلى 2 ديسيبل، فإن تغذيته بقدرة 100 واط ستعطيك مخرجًا يبلغ 63 واط فقط.

في محطة القاعدة و أنظمة DAS, ، فإن كل 0.5 ديسيبل إضافي من خسارة الإدخال يعني أن مضخم الطاقة يجب أن يبذل جهدًا أكبر بنفس القدر للتعويض عن ذلك. وعندما تزيد الطاقة، يتأثر كل من تبديد الحرارة واستهلاك الكهرباء وعمر الجهاز سلبًا. لذا، طالما أن الرفض خارج النطاق بشرط استيفاء المتطلبات، يجب أن يكون فقدان الإدخال دائمًا عند أدنى مستوى ممكن.

من بين منتجات MS TELERF منتجات المرشحات التجويفية, ، تحقق بعض الطرز خسارة إدخال نموذجية تقل عن 0.5 ديسيبل، بل إن بعض مرشحات التمرير النطاقية المخصصة لأنظمة توزيع الإشارة (DAS) يمكنها الحفاظ على هذه الخسارة أقل من 0.5 ديسيبل. ويُعد هذا أداءً قويًّا نسبيًّا في هذا المجال — على الرغم من أن الرقم الفعلي يعتمد، بطبيعة الحال، على التردد وعرض النطاق ومستوى الطاقة وعوامل أخرى. لا توجد إجابة واحدة تناسب جميع الحالات.

الرفض خارج النطاق – منع دخول إشارات النطاقات المجاورة

إذا كان فقدان الإدخال يتعلق بـ“ما إذا كانت الإشارة التي ينبغي أن تمر قادرة على المرور”، فإن التصفية خارج النطاق تتعلق بـ“ما إذا كانت الإشارة التي لا ينبغي أن تمر قابلة للحجب”.”

عادةً ما يُعبَّر عن قدرة التصفية خارج النطاق بالديسيبل (dB) – فكلما ارتفع الرقم، زادت قدرة المرشح على “منع دخول الإشارات غير المرغوب فيها”. قد يحتاج مرشح محطة قاعدية عالي المواصفات إلى 50 ديسيبل أو حتى 60 ديسيبل أو أكثر من التخلص من الإشارات خارج النطاق. وهذا يعني أن الإشارات المتداخلة خارج نطاق التمرير يتم تخفيفها بمعامل يتراوح بين 100,000 و1,000,000.

لماذا يكتسي هذا الأمر أهمية كبيرة؟ اليوم، الطيف اللاسلكي مكتظ مثل مترو الأنفاق في ساعة الذروة – فقد يكون النطاق 900 ميجاهرتز مجاورًا تمامًا للنطاق 1800 ميجاهرتز، مع فارق لا يتجاوز بضع عشرات من الميغاهيرتز بين النظامين. وإذا كانت قدرة المرشح على حجب الإشارات خارج النطاق غير كافية، فستتسرب إشارات عالية الطاقة من النطاق المجاور. وفي أفضل الأحوال، ستؤدي هذه الإشارات إلى رفع مستوى الضوضاء الأساسي؛ أما في أسوأ الأحوال، فقد تغمر قناة الاستقبال تمامًا.

وتتجلى هذه المشكلة بشكل أكثر وضوحًا في أنظمة DAS. فقد يتعين على نظام DAS واحد دعم نطاقات ترددية متعددة من مشغلين مختلفين. وإذا كان العزل بين المرشحات غير كافٍ، فإن نواتج التشكيل البيني والإشارات الزائفة يمكن أن تؤدي إلى إرباك النظام بأكمله.

معالجة الطاقة – لا تدع الفلتر يحترق

قدرة التحمل يبدو الأمر بسيطًا – ما هو الحد الأقصى للقدرة التي يمكن أن يتحملها بالواط؟ – لكن هذا هو المكان الذي غالبًا ما يحدث فيه الخطأ عند الاختيار.

ينصب اهتمام الكثير من الناس على متوسط الطاقة فقط، ويتجاهلون الطاقة القصوى. في سيناريوهات محطات القاعدة، لا تكون الإشارات ثابتة. تتقلب حركة مرور الصوت والبيانات بين فترات الذروة وفترات الخمول، وتتذبذب الطاقة بشكل كبير. إذا كانت قدرة المرشح على تحمل الطاقة “كافية بالكاد” للطاقة المتوسطة فقط، فقد تتسبب الذروة في مشاكل – بدءًا من تدهور أداء PIM وصولًا إلى حدوث قوس كهربائي داخلي أو انهيار عازل كهربائي.

نقطة أخرى يُسهل إغفالها: إن قدرة التحمل الكهربائية وفقدان الإدخال مرتبطان ببعضهما. أ مرشح فكلما زاد فقدان الإدخال، زادت الحرارة الداخلية الناتجة عند نفس مستوى طاقة الدخل. وتؤدي الحرارة إلى تمدد التجويف، وانحرافات في استجابة التردد، وتفاقم تشويش PIM. إنها حلقة مفرغة.

MS TELERF’s مرشحات من فئة محطات القاعدة تتراوح قدرتها عادةً بين 150 وات و200 وات، وتأتي بعض الطرز المخصصة للاستخدام الخارجي مزودة بمعيار IP67 لمقاومة العوامل الجوية. إذا كان مشروعك يتضمن تركيبًا خارجيًّا على قمة برج، فتأكد من التحقق من تصنيف الحماية من دخول العوامل الخارجية — فقد يتلف مرشح داخلي عند استخدامه في الخارج بسبب عاصفة مطرية واحدة.

PIM – القاتل الخفي

تمت مناقشة التداخل التوافقي السلبي (PIM) بالتفصيل في مقال سابق، لذا سنكتفي هنا بالتطرق إلى الجوانب المتعلقة بالمرشحات تحديدًا.

تُعد المرشحات من بين المكونات الأكثر عرضة لخطر حدوث PIM في سلسلة الترددات اللاسلكية. والسبب بسيط: فالمصفاة تحتوي على عدة تجاويف رنانة متصلة ببعضها بواسطة هياكل اقتران، ويمكن أن يصبح كل سطح تلامس وكل برغي ضبط مصدرًا للتداخل بين النبضات (PIM).

في أنظمة DAS والمواقع المشتركة بين عدة مشغلين، يحدد أداء مرشح PIM بشكل مباشر الحد الأدنى الذي يمكن الوصول إليه في مستوى الضوضاء الأساسي للنظام. فالمرشح ذو الأداء الضعيف في PIM، عند تحفيزه بطاقة عالية، يمكن أن ينتج نواتج تداخل تقع داخل نطاق الاستقبال مباشرةً – وهو ما يشبه قيام النظام بتوليد تداخل خاص به.

تزداد متطلبات الصناعة المتعلقة بمؤشر التداخل الداخلي (PIM) للمرشحات المخصصة لمحطات القاعدة صرامةً. يمكن لسلسلة المرشحات عالية الأداء من MS TELERF تحقيق قيمة PIM تصل إلى -153 ديسيبل تحت التردد (dBc) أو حتى -155 ديسيبل تحت التردد (dBc)، وهو ما يلبي المتطلبات الصارمة لمعظم محطات القاعدة من الجيل الخامس (5G). ولكن هناك أمرًا يجب أخذه في الاعتبار – تُقاس مواصفات PIM في ظل ظروف اختبار محددة (عادةً موجات حاملة بقوة 2×43 ديسيبل ميلي واط). وفي الاستخدام الفعلي، تؤدي الطاقة المنخفضة إلى تحسين PIM، بينما تؤدي الطاقة العالية إلى تدهور PIM. لذا، يجب ترك هامش كافٍ.

لماذا فلاتر التجويف الريادة في تطبيقات محطات القاعدة وأنظمة التوزيع الموزعة (DAS)

بعد تناول المعلمات، دعونا نتناول سؤالاً شائعاً يتعلق بالاختيار: المرشح التجويفي أم المرشح الخزفي – أيهما نختار؟

تتميز المرشحات الخزفية بحجمها الأصغر وسعرها الأرخص، مما يمنحها ميزة تنافسية في مجال الإلكترونيات الاستهلاكية وبعض التطبيقات التي تعتمد على الحجم. لكن في أنظمة الاتصالات الاحترافية مثل المحطات القاعدية وأنظمة توزيع الإشارات (DAS)، تُعد المرشحات التجويفية هي الخيار السائد بلا منازع.

والسبب ليس معقدًا. تتميز مرشحات التجويف بمعامل Q مرتفع، ومنخفض خسارة الإدخال, ، وقدرة كبيرة على تحمل الطاقة. وبالنسبة لمتطلبات التصفية خارج النطاق نفسها، يمكن لمرشح التجويف تحقيقها بعدد أقل من المراحل وبخسارة إدخال أقل. علاوة على ذلك، تتميز مرشحات التجويف بالاستقرار الهيكلي — حيث تؤثر التغيرات في درجة الحرارة والاهتزازات الميكانيكية على أدائها بدرجة أقل بكثير مقارنةً بالمرشحات الخزفية.

وبالطبع، فإن المرشحات التجويفية لها عيوبها أيضًا – حجم أكبر، ووزن أثقل، وتكلفة أعلى. لكن في محطة قاعدية وفي سيناريوهات DAS، تُعطى الأولوية للأداء على الحجم، لذا تظل المرشحات التجويفية هي الخيار الأول. كما أن خط منتجات MS TELERF يركز على المرشحات التجويفية، ويغطي نطاقات متعددة تتراوح من 700 ميجاهرتز إلى 2700 ميجاهرتز.

الاختيار في الممارسة العملية: قائمة مرجعية لتوجيه قرارك

وبعد أن انتهينا من الجانب النظري، إليك قائمة مرجعية عملية للاختيار. عندما تحصل على ورقة بيانات المرشح، راجع هذه البنود واحدة تلو الأخرى:

• هل نوع المرشح صحيح؟ (مرشح تمرير النطاق / مرشح حجب النطاق / مرشح تمرير الترددات المنخفضة / مرشح تمرير الترددات العالية)
• هل تغطي ترددات نطاق التمرير نطاق التشغيل الخاص بك بالكامل؟
• هل يقع فقدان الإدخال ضمن الحد المسموح به لميزانية الارتباط في نظامك؟
• هل يعمل الرفض خارج النطاق على قمع التداخل في النطاق المجاور بشكل كافٍ؟
• هل تشمل سعة التحمل الطاقة القصوى (وليس فقط الطاقة المتوسطة)؟
• هل يفي أداء PIM بمتطلبات الحد الأدنى لمستوى الضوضاء في النظام؟
• هل يتوافق نوع الموصل مع باقي أجزاء النظام؟ (نوع N، DIN، 4.3-10)
• هل بيئة التركيب داخلية أم خارجية؟ هل تصنيف IP كافٍ؟
• هل يشمل نطاق درجة حرارة التشغيل الظروف المناخية في موقع المشروع؟

تأكد من مراجعة هذه النقاط التسع، ومن غير المرجح أن يواجه اختيارك للمرشح أي مشكلات كبيرة.

المرشحات – إذا اخترت المرشح المناسب، فستعمل بهدوء في الخلفية؛ أما إذا اخترت المرشح الخاطئ، فقد تحول نظامك بأكمله إلى كابوس. نأمل أن تساعدك هذه المقالة على تجنب بعض العقبات في مشروعك القادم.

إذا كانت لديك أي استفسارات بشأن اختيار المرشحات، أو كنت بحاجة إلى معلمات محددة للمنتج وتقارير الاختبار، فلا تتردد في التواصل مع الفريق الفني لشركة MS TELERF.