Guia de seleção de filtros de RF: Considerações essenciais para projetos de DAS e estações base

Se escolher o filtro errado, a qualidade do sinal de todo o seu sistema pode ir por água abaixo.

Nos sistemas de RF, é fácil ignorar os filtros – não são tão visíveis como as antenas, nem tão “notáveis” como os amplificadores de potência. Mas este componente passivo discreto, quando escolhido corretamente, funciona silenciosamente em segundo plano; quando mal escolhido, pode prejudicar todo um DAS ou transformar um projeto de estação base numa série interminável de ajustes e reclamações dos clientes.

Ao longo dos anos, já vi bastantes projetos em que a equipa de instalação montou os divisores de potência e os acopladores corretamente, mas, quando se tratava do filtro, limitavam-se a pegar no que fosse “suficientemente bom” e a aparafusá-lo. O resultado? Entrou interferência fora da banda, a sensibilidade de receção desceu drasticamente e o desempenho do PIM não conseguia ser reduzido, por mais que se tentasse. Depois de o substituir, o problema desapareceu.

Este artigo deixa de lado a teoria abstrata e vai direto aos pontos-chave da seleção técnica – os parâmetros que realmente importam na escolha de um filtro.

Passa-banda, bloqueador de banda, passa-baixa, passa-alta – Escolha primeiro o tipo certo

Muitos engenheiros juniores olham para uma tabela de seleção de filtros e sentem-se desorientados. Uma sequência de números e letras no número do modelo, e não fazem ideia por onde começar. Mas o primeiro passo é simples: descobrir que tipo de filtro é que realmente precisam.

Filtros passa-banda são o tipo mais comum em Sistemas de RF. A sua função é simples: deixar passar os sinais numa banda de frequência específica e bloquear todos os outros. Encontrará filtros passa-banda em todo o lado: nos percursos de transmissão e receção das estações base, nos front-ends dos sistemas DAS e nos estágios de entrada dos repetidores.

Filtros de rejeição de banda (filtros notch) fazem o contrário – bloqueiam apenas uma banda de frequências estreita e deixam passar tudo o resto. São normalmente utilizados quando se tem um problema específico de interferência, como um sinal interferente forte que se situa precisamente dentro da banda de receção – um filtro de rejeição de banda pode eliminá-lo.

Filtros passa-baixa e passa-alta são utilizados com menos frequência, principalmente no tratamento de polarização em corrente contínua, na supressão de harmónicas e em cenários semelhantes. É frequente ver-se filtros passa-baixa na saída dos amplificadores de potência, para eliminar os harmónicos gerados pelo amplificador.

Perda de inserção – O sinal desaparece antes mesmo de chegar à antena

A perda de inserção é provavelmente o primeiro parâmetro que as pessoas têm em conta durante a seleção, mas é também um dos mais mal compreendidos.

Em termos simples, a perda de inserção indica quanta potência do sinal é “perdida” ao passar pelo filtro. Se um filtro tiver uma perda de inserção de 0,5 dB, ao introduzir 100 W, obtém-se aproximadamente 89 W na saída – 11 W de energia dissipada no interior do filtro. Se a perda de inserção atingir 2 dB, ao introduzir 100 W, obtém-se apenas 63 W na saída.

Na estação base e Sistemas DAS, cada 0,5 dB adicional de perda de inserção significa que o amplificador de potência tem de trabalhar mais para compensar. Quando se aumenta a potência, a dissipação de calor, o consumo de eletricidade e a vida útil do dispositivo são todos afetados. Assim, desde que rejeição fora de banda Desde que os requisitos sejam cumpridos, a perda de inserção deve ser sempre a mais baixa possível.

Entre os MS TELERF’s produtos de filtragem por cavidade, alguns modelos atingem uma perda de inserção típica inferior a 0,5 dB, e certos filtros passa-banda específicos para DAS conseguem até mantê-la abaixo de 0,5 dB. Trata-se de um desempenho bastante sólido no setor – embora, evidentemente, o valor real dependa da frequência, da largura de banda, do nível de potência e de outros fatores. Não existe uma resposta única que sirva para todos os casos.

Rejeição fora de banda – Impedir a entrada de sinais de bandas vizinhas

Se a perda de inserção diz respeito a “se o sinal que deve passar consegue passar”, então a rejeição fora da banda diz respeito a “se o sinal que NÃO deve passar pode ser bloqueado”.”

A rejeição fora da banda é normalmente expressa em dB – quanto maior for o valor, melhor será a capacidade do filtro de “manter os sinais indesejados afastados”. Um filtro de estação base de alta especificação pode necessitar de 50 dB ou mesmo 60 dB+ de rejeição fora da banda. Isso significa que os sinais interferentes fora da banda passante são atenuados por um fator de 100 000 a 1 000 000.

Por que é que isto é tão importante? Hoje em dia, espectro de radiofrequências está lotado como um metro na hora de ponta – a banda de 900 MHz pode ficar mesmo ao lado da de 1800 MHz, com apenas algumas dezenas de megahertz de separação entre os dois sistemas. Se a rejeição fora da banda do filtro for insuficiente, os sinais de alta potência da banda vizinha irão infiltrar-se. Na melhor das hipóteses, aumentam o ruído de fundo; na pior, podem sobrecarregar completamente o canal de receção.

Este problema é ainda mais acentuado nos sistemas DAS. Um único sistema DAS pode ter de suportar várias bandas de frequência de vários operadores. Se o isolamento entre os filtros for insuficiente, os produtos de intermodulação e os sinais espúrios podem transformar todo o sistema num caos.

Manuseamento de potência – Não deixe o seu filtro queimar

Potência admissível Parece simples – quantos watts suporta? –, mas é aqui que a escolha costuma correr mal.

Muitas pessoas limitam-se a considerar a potência média e ignoram a potência de pico. Em cenários de estações base, os sinais não são constantes. O tráfego de voz e de dados oscila entre períodos de atividade intensa e de inatividade, e a potência varia significativamente. Se a capacidade de suporte de potência do filtro for apenas “suficiente” para a potência média, um pico pode causar problemas — desde a degradação do PIM até à formação de arcos elétricos internos ou à ruptura dielétrica.

Outro aspeto que passa facilmente despercebido: a potência admissível e a perda de inserção estão interligadas. A filtro Uma perda de inserção mais elevada gera mais calor interno com a mesma potência de entrada. O calor provoca a expansão da cavidade, desvios na resposta de frequência e o PIM agrava-se. Trata-se de um ciclo vicioso.

MS TELERF’s filtros de nível de estação base normalmente suportam entre 150 W e 200 W, e alguns modelos para exterior apresentam proteção IP67 contra intempéries. Se o seu projeto envolver a instalação no topo de uma torre ao ar livre, certifique-se de que verifica o índice de proteção contra a penetração de água e poeira – um filtro de interior colocado no exterior pode ficar inutilizado com uma única tempestade.

PIM – O Assassino Invisível

A intermodulação passiva (PIM) foi abordada em pormenor num artigo anterior, pelo que, neste artigo, nos limitaremos a abordar apenas os aspetos específicos dos filtros.

Os filtros estão entre os componentes de maior risco para o PIM num Cadeia de RF. A razão é simples: um filtro contém várias cavidades ressonantes ligadas por estruturas de acoplamento, e cada superfície de contacto e cada parafuso de afinação podem tornar-se uma fonte de PIM.

Em redes DAS e em locais partilhados por vários operadores, o desempenho PIM de um filtro determina diretamente até que ponto é possível reduzir o ruído de fundo do sistema. Um filtro com um desempenho PIM deficiente, quando submetido a potências elevadas, pode produzir produtos de intermodulação que se situam precisamente dentro da banda de receção — é como se o próprio sistema gerasse a sua própria interferência.

Os requisitos da indústria em matéria de PIM para filtros destinados a estações base estão a tornar-se cada vez mais rigorosos. A série de filtros de alto desempenho da MS TELERF consegue atingir valores de PIM até -153 dBc ou mesmo -155 dBc, o que cumpre os rigorosos requisitos da maioria das estações base 5G. Mas há um aspeto a ter em conta: as especificações de PIM são medidas em condições de teste específicas (normalmente portadoras de 2×43 dBm). Na utilização real, uma potência mais baixa proporciona um melhor PIM, enquanto uma potência mais elevada agrava o PIM. É necessário deixar uma margem suficiente.

Porquê Filtros de cavidade Liderar no mercado das aplicações de estações de base e DAS

Depois de abordarmos os parâmetros, vamos abordar uma questão comum na escolha: filtro de cavidade ou filtro cerâmico – qual escolher?

Os filtros cerâmicos são mais pequenos e mais baratos, o que lhes confere uma vantagem no setor da eletrónica de consumo e em determinadas aplicações em que o tamanho é um fator determinante. No entanto, em sistemas de comunicação profissionais, como estações base e DAS, os filtros de cavidade são, sem dúvida, a opção mais comum.

A razão não é complicada. Os filtros de cavidade têm um fator Q elevado e um baixo perda de inserção, e uma elevada capacidade de potência. Para o mesmo requisito de rejeição fora de banda, um filtro de cavidade consegue atingi-lo com menos estágios e uma perda de inserção ainda menor. Além disso, os filtros de cavidade são estruturalmente estáveis – as variações de temperatura e as vibrações mecânicas afetam o seu desempenho muito menos do que os filtros cerâmicos.

É claro que os filtros de cavidade também têm desvantagens – são maiores, mais pesados e mais caros. Mas em estação de base Nos cenários DAS, o desempenho tem prioridade sobre o tamanho, pelo que os filtros de cavidade continuam a ser a primeira escolha. A linha de produtos da MS TELERF também se centra nos filtros de cavidade, abrangendo várias bandas entre os 700 MHz e os 2700 MHz.

A seleção na prática: uma lista de verificação para orientar a sua decisão

Depois de esclarecida toda essa teoria, eis uma lista de verificação prática. Quando receber a ficha técnica de um filtro, analise estes pontos um a um:

• O tipo de filtro está correto? (Passa-banda / rejeita-banda / passa-baixa / passa-alta)
• A frequência da banda passante abrange totalmente a sua banda de funcionamento?
• A perda de inserção está dentro da margem do orçamento de ligação do seu sistema?
• A rejeição fora de banda suprime adequadamente a interferência na banda adjacente?
• A capacidade de potência abrange a potência de pico (e não apenas a potência média)?
• O desempenho do PIM cumpre os requisitos relativos ao nível de ruído de fundo do sistema?
• O tipo de conector é compatível com o resto do sistema? (tipo N, DIN, 4.3‑10)
• O ambiente de instalação é interior ou exterior? A classificação IP é suficiente?
• A gama de temperaturas de funcionamento abrange as condições climáticas no local do projeto?

Analise estes nove pontos e é improvável que a sua seleção de filtros apresente problemas graves.

Filtros – se escolher o filtro certo, estes funcionam silenciosamente em segundo plano; se escolher o filtro errado, podem transformar todo o seu sistema num pesadelo. Esperamos que este artigo o ajude a evitar algumas armadilhas no seu próximo projeto.

Se tiver dúvidas sobre a seleção de filtros ou precisar de parâmetros específicos dos produtos e relatórios de testes, não hesite em contactar a equipa técnica da MS TELERF.