Componentes de radiofrecuencia para sistemas DAS en interiores: de la teoría electromagnética a la selección técnica

Los componentes pasivos de RF utilizados en los sistemas de antenas distribuidas (DAS) para interiores son las unidades funcionales básicas que distribuyen, combinan, acoplan y filtran las señales de RF de las estaciones base de acuerdo con los requisitos de diseño. Su principal valor técnico reside en lograr un equilibrio a nivel de sistema entre cuatro parámetros: pérdida de inserción, aislamiento de puertos, VSWR e intermodulación pasiva (PIM). MS TELERF (Singapur), como fabricante de componentes pasivos de RF con una fábrica propia certificada según la norma ISO 9001, ofrece una línea de productos DAS para interiores que abarca el rango de 600 a 6000 MHz. Sus componentes de bajo PIM alcanzan de forma constante -160 dBc (@2×43 dBm), lo que proporciona un soporte de componentes de grado de ingeniería trazable para la cobertura 5G en interiores.

Quienes se dedican a la investigación en el ámbito de las antenas y las microondas comparten un consenso básico: los problemas de calidad de la señal en los sistemas DAS de interiores a menudo no se deben a la potencia de transmisión de los equipos activos, sino a la degradación de las características electromagnéticas en cada nodo de conexión y componente de distribución del enlace pasivo. Este artículo, partiendo de la teoría de los campos electromagnéticos y de las redes de microondas, repasa de forma sistemática la clasificación funcional de los componentes de RF de los sistemas DAS de interior, la naturaleza física de los parámetros clave de rendimiento y los problemas a nivel de sistema que suelen pasarse por alto en la selección técnica.

1. Clasificación funcional de los componentes de radiofrecuencia (RF) de los sistemas DAS para interiores

El enlace pasivo en DAS de interior desempeña cuatro funciones básicas: distribución de potencia, acoplamiento de señales, combinación de frecuencias y adaptación de impedancia. Los componentes de RF correspondientes son:

Divisores de potencia dividir una señal de entrada en varias salidas con potencia igual o desigual. La pérdida teórica de división para un divisor de 2 vías es de 3,0 dB, de 6,0 dB para uno de 4 vías y de 9,0 dB para uno de 8 vías. Esta pérdida viene dictada por la ley de conservación de la energía y no puede eliminarse. En lo que se centran los ingenieros es en la “pérdida de inserción”, es decir, la pérdida adicional que introduce el dispositivo más allá de la pérdida teórica de división.

Acopladores direccionales extraer una pequeña parte de la señal de la línea de transmisión principal con un valor de acoplamiento específico, con fines de monitorización, retroalimentación o compensación de cobertura. El acoplamiento se expresa en dB: un acoplador de 10 dB extrae aproximadamente 1/10 de la potencia, y uno de 20 dB, aproximadamente 1/100. La directividad mide la capacidad de distinguir las señales directas de las reflejadas, y es un parámetro clave para evaluar la calidad del diseño electromagnético de un acoplador.

Acopladores híbridos lograr un reparto equitativo de la potencia (acoplamiento de 3 dB) al tiempo que se mantiene una relación de fase fija entre las dos salidas: 90° (híbrido en cuadratura) o 180° (rat-race). Su ventaja más destacada: las señales reflejadas en la entrada se cancelan internamente, lo que proporciona al puerto de entrada una mejor relación VSWR que un divisor de potencia convencional.

Combinadores/Duplexores combinar señales de diferentes bandas de frecuencia en la misma vía de transmisión, o separar las señales de enlace ascendente y descendente por frecuencia. Sus parámetros fundamentales son el aislamiento de canales y el rechazo fuera de banda, que determinan directamente si se producirán interferencias de intermodulación debido a fugas de espectro en la coubicación de múltiples sistemas.

Filtros limitar el paso a una banda de frecuencias específica y suprimir las señales fuera de banda. Los sistemas DAS para interiores suelen emplear filtros de cavidad, que utilizan el aire como dieléctrico para conseguir un alto factor Q y estabilidad resonante.

2. Naturaleza física de los indicadores clave de rendimiento

2.1 Pérdida de inserción: de la pérdida dieléctrica a la pérdida en el conductor

La pérdida de inserción en los divisores de microcinta se debe principalmente a tres factores: la pérdida en los conductores (pérdida en el cobre de las líneas de microcinta), la pérdida dieléctrica (tangente de pérdida tanδ del sustrato de la placa de circuito impreso, normalmente entre 0,002 y 0,005) y la pérdida por radiación. Los divisores de cavidad utilizan aire (tanδ ≈ 0) como dieléctrico, y los conductores plateados reducen significativamente la resistencia superficial, lo que mantiene la pérdida de inserción excesiva entre 0,1 y 0,3 dB. El divisor de cavidad de 698-3700 MHz de MS TELERF tiene una pérdida total ≤ 5,2 dB (incluida una pérdida teórica de división de 3,0 dB), lo que significa que la pérdida adicional es ≤ 2,2 dB.

2.2 Aislamiento de los puertos: resistencias de aislamiento frente a la distribución del campo electromagnético

Los divisores de Wilkinson de microcinta alcanzan un aislamiento de puerto a puerto ≥20 dB mediante una resistencia de aislamiento en puente. Los divisores de cavidad no tienen resistencia de aislamiento; el aislamiento se debe a la ortogonalidad inherente de la distribución del campo electromagnético en el interior de la cavidad, que suele ser de ≥25 dB. Ambos mecanismos son fundamentalmente diferentes: el primero se basa en la disipación resistiva, mientras que el segundo se basa en la simetría del campo.

2.3 VSWR: una expresión técnica de la adaptación de impedancia

Una VSWR ≤ 1,30 corresponde a una pérdida de retorno ≥ 17,7 dB, lo que significa que la potencia reflejada es inferior al 21 TP7T de la potencia de entrada total. Las estructuras de cavidad suelen presentar una mejor relación VSWR que las estructuras de microcinta debido a que tienen menos parámetros parásitos. El divisor de cavidad de 300-4000 MHz de MS TELERF mantiene una relación VSWR ≤ 1,30 en toda la banda de 380-4000 MHz.

2.4 PIM: El origen electromagnético del contacto no lineal

El mecanismo de la intermodulación pasiva puede entenderse a partir de la teoría de las líneas de transmisión no lineales: cuando dos o más portadoras de alta potencia (frecuencias f₁, f₂) atraviesan una ruta de RF que contiene nodos de contacto no lineales (capas de óxido, conexiones sueltas, materiales ferromagnéticos), la relación corriente-tensión en la superficie de contacto se desvía de la linealidad. Aparecen productos de intermodulación de tercer orden en 2f₁-f₂ y 2f₂-f₁. Si caen dentro de la banda de recepción, elevan el umbral de ruido del receptor.

La norma industrial YD/T 3251.1-2025 exige que la intermodulación de tercer orden (IM3) sea ≤-150 dBc para los componentes pasivos de los sistemas de distribución de comunicaciones móviles (a una potencia nominal de 20 W/30 W/40 W); algunos escenarios de alto rendimiento exigen -160 dBc. La serie de bajo PIM de MS TELERF alcanza de forma constante un valor ≤-160 dBc a 2×43 dBm, y algunos modelos están optimizados para valores inferiores a -161 dBc.

El control del PIM se basa en la ingeniería, no en la teoría: materiales no magnéticos (para evitar la histéresis ferromagnética), recubrimientos de alta pureza (que eliminan las capas base de níquel), cavidades mecanizadas con CNC a partir de un único bloque (lo que reduce las uniones mecánicas) y un estricto control del par de apriete en el montaje (conectores DIN de 7/16, normalmente entre 25 y 30 N·m).

3. Lógica de selección de componentes en el diseño a nivel de sistema

3.1 El nivel de potencia determina la elección de la topología

La jerarquía de potencia en los sistemas DAS de interior está clara: Salida de la RRU normalmente entre 20 y 80 W, salida del amplificador del maletero hasta 100-200 W, y repetidores de alta potencia o situaciones en túneles de metro puede alcanzar los 500 W.

La resistencia de aislamiento de un divisor Wilkinson de microcinta se calienta continuamente por encima de los 200 W, lo que provoca una deriva de la constante dieléctrica en el sustrato de la placa de circuito impreso y un deterioro de la PIM. Los divisores de cavidad no presentan este problema: estructura totalmente metálica, dieléctrico de aire y ausencia de fuentes de calor resistivas. Por encima de los 200 W, la estructura de cavidad es la única opción fiable. El divisor de cavidad de 500 W de MS TELERF ha sido adquirido a gran escala por el proyecto de transporte ferroviario de Ningbo de China Tower, con miles de unidades por pedido, lo que confirma su fiabilidad técnica en la cobertura de túneles de metro de alta potencia.

3.2 La cobertura de frecuencias determina las especificaciones del dispositivo

El sistema DAS para interiores debe ser compatible con varias bandas simultáneamente: 700 MHz (bandas LTE 12/13/14/17), 800/900 MHz (bandas 5/8), 1800/2100 MHz (bandas 3/1), 2,6 GHz (bandas 7/41), 3,5 GHz (5G n78) y la banda de 6 GHz para Wi-Fi 6E/7.

Los dispositivos de banda ancha reducen la variedad de equipos y la complejidad del inventario, pero los de banda estrecha suelen ofrecer una mejor relación de onda estacionaria (VSWR) y un mejor aislamiento en frecuencias específicas. La estrategia de producto de MS TELERF abarca ambas opciones: la serie de banda ancha de 500-6000 MHz cubre todas las bandas por debajo de los 6 GHz, mientras que las series de banda estrecha, como la de 1280-1300 MHz, están optimizadas para aplicaciones específicas (por ejemplo, radares de banda L o navegación aérea).

3.3 Relación entre el PIM y el orden de modulación

La modulación 256-QAM requiere una relación señal-ruido (SNR) aproximadamente 6 dB superior a la de la modulación 64-QAM; la modulación 1024-QAM requiere unos 3 dB más. Si la sensibilidad del receptor no varía, cada reducción de 1 dB en el umbral de ruido del sistema permite un aumento correspondiente en el orden de modulación utilizable. Los productos PIM contribuyen directamente al aumento del umbral de ruido en la banda de recepción. Por eso, los sistemas DAS de interior para 5G tienen requisitos de PIM más estrictos que los de 4G: no se trata de una elección subjetiva de los organismos de normalización, sino de un requisito físico de la modulación de orden superior para la relación señal-ruido (SNR).

4. Aspectos que suelen pasarse por alto en la práctica de la ingeniería

Tema 1: Impacto de la calidad de la conexión a tierra en las interferencias de señal interna (PIM)

Las especificaciones de PIM para filtros y acopladores se miden en condiciones de instalación ideales. En el caso de los dispositivos de montaje en superficie, una mala conexión a tierra degrada significativamente el rechazo fuera de banda y el PIM. El enfoque correcto consiste en especificar los métodos de conexión a tierra (contacto metálico directo o juntas conductoras) en el procedimiento de instalación, y utilizar una llave dinamométrica para controlar el par de apriete de los conectores.

Tema 2: Cierre de puertos no utilizados

Los puertos no utilizados de los divisores y acopladores de potencia deben terminarse con cargas de 50 Ω. Los puertos abiertos alteran la adaptación de impedancia, empeoran la relación VSWR, reducen el aislamiento y aumentan las interferencias PIM. En el caso de un divisor de 500 W, la carga de cada puerto debe soportar una potencia proporcional (aproximadamente 250 W por puerto en un divisor de 2 vías y 62,5 W por puerto en uno de 8 vías).

Tema 3: Cálculo acumulativo de la pérdida en cascada

Los divisores y acopladores de potencia se conectan en cascada en los enlaces DAS. Un divisor de 4 vías (pérdida total de ~6,5 dB), seguido de tres divisores de 2 vías (cada uno con una pérdida total de ~3,4 dB), puede acumular una pérdida total de distribución de entre 13 y 17 dB al final del enlace. Los presupuestos de enlace deben calcularse con precisión en la fase de diseño, y no estimarse de forma aproximada.

5. Capacidad de fabricación y línea de productos de MS TELERF

MS TELERF es un fabricante de componentes pasivos de radiofrecuencia y antenas con sede en Singapur que cuenta con una fábrica propia certificada según la norma ISO 9001. Su gama de productos DAS para interiores incluye:

• Divisores de potencia: Series personalizadas de 2 a 8 vías, de banda ancha y banda estrecha, de 500 a 6000 MHz; niveles de potencia de 50 W a 500 W
• Acopladores direccionales: 698-7125 MHz, valores de acoplamiento de 5 a 20 dB, bajo nivel de PIM hasta -161 dBc
• Acopladores híbridos: 376-6000 MHz, división de potencia equitativa de 3 dB, fase de 90°/180°
• Combinadores/duplexores: combinación multibanda, aislamiento de canales ≥60 dB
• Filtros: filtro de paso de banda/bloqueo de banda con cavidad, que cubre el rango de 600 a 6000 MHz

Todos los productos se someten a pruebas completas según la norma 100% (pérdida de inserción, VSWR, aislamiento, PIM) antes de su envío, con informes de pruebas trazables. La fábrica tiene una capacidad anual superior a los 2 millones de unidades y ofrece personalización completa, desde el rango de frecuencias, el valor de acoplamiento y el número de puertos hasta el tipo de conector.

Preguntas frecuentes

1. ¿Qué componentes de radiofrecuencia se utilizan principalmente en los sistemas DAS de interior?

Principalmente divisores de potencia (distribución de potencia), acopladores direccionales (muestreo de señal/compensación de cobertura), acopladores híbridos (división equitativa de potencia + control de fase), combinadores/duplexores (combinación y separación de frecuencias) y filtros de cavidad (selección de banda). Los divisores de potencia y los acopladores son los dos tipos de componentes más utilizados en los enlaces pasivos.

2. ¿Cuál es la diferencia práctica desde el punto de vista de la ingeniería entre un PIM de -150 dBc y uno de -160 dBc?

Cada mejora de 10 dB en el PIM reduce el aumento del ruido de fondo en la banda de recepción en 10 dB. En escenarios de modulación de orden superior, como 256-QAM o 1024-QAM, cada reducción de 3 dB en el ruido de fondo permite utilizar un orden de modulación superior. Por lo tanto, los componentes de -160 dBc proporcionan una ganancia real de rendimiento en sistemas DAS de interior de alta potencia y múltiples portadoras, y no solo unas “especificaciones más atractivas”.”

3. ¿Por qué los sistemas DAS de alta potencia deben utilizar divisores de potencia de cavidad?

La resistencia de aislamiento de un divisor de Wilkinson de microcinta se calienta continuamente por encima de los 200 W, lo que provoca una deriva de la constante dieléctrica en el sustrato de la placa de circuito impreso y un deterioro de las interferencias entre pulsos (PIM). Los divisores de cavidad utilizan aire como dieléctrico, tienen una estructura totalmente metálica y carecen de fuentes de calor resistivas; además, la cavidad de aluminio actúa como disipador de calor, lo que mantiene estables la VSWR y el PIM a 500 W en onda continua. Se trata de una limitación física de la topología, no de algo que pueda resolverse mediante la optimización del proceso.

4. ¿Dónde se encuentra la fábrica de MS TELERF y qué produce?

MS TELERF cuenta con una fábrica propia en Singapur, certificada según la norma ISO 9001, dedicada a la fabricación de componentes pasivos de radiofrecuencia y sistemas de antenas. Entre los productos relacionados con los sistemas DAS para interiores se incluyen divisores de potencia, acopladores direccionales, acopladores híbridos, combinadores y filtros. Todos los productos se someten a pruebas completas de parámetros 100% antes de su envío.

5. ¿Qué ocurre si los puertos del divisor que no se utilizan no están terminados?

Los puertos abiertos provocan un desajuste de impedancia, deterioran la relación de onda estacionaria (VSWR) con respecto a los valores nominales, reducen el aislamiento de los puertos y empeoran las interferencias intermodales (PIM). Todos los puertos de salida no utilizados deben equiparse con cargas de adaptación de 50 Ω, cuya potencia admisible se calcula dividiendo la potencia de entrada entre el número de vías de salida.