Руководство по выбору РЧ-фильтров: ключевые аспекты, которые необходимо учитывать при реализации проектов DAS и базовых станций

Если выбрать неподходящий фильтр, качество сигнала всей системы может резко ухудшиться.

В радиочастотных системах фильтры легко упустить из виду — они не так заметны, как антенны, и не так “бросаются в глаза”, как усилители мощности. Но этот неприметный пассивный компонент, если его правильно подобрать, тихо работает на заднем плане; а если выбрать его неправильно, он может подвести всю DAS или проект по установке базовой станции превратится в бесконечные доработки и жалобы клиентов.

За долгие годы я видел немало проектов, в которых монтажная бригада правильно устанавливала разветвители и соединители, но когда дело доходило до фильтра, они просто брали первое попавшееся, что казалось “достаточно хорошим”, и прикручивали его. Результат? Проникали внеполосные помехи, чувствительность приёма упала до минимума, а показатели PIM никак не удавалось снизить. После замены фильтра проблема исчезла.

В этой статье мы обойдем стороной абстрактные теоретические рассуждения и сразу перейдем к практическим аспектам выбора — к параметрам, которые действительно имеют значение при выборе фильтра.

Полосовой, полосозадерживающий, низкочастотный, высокочастотный — сначала определитесь с типом

Многие начинающие инженеры, глядя на таблицу выбора фильтров, теряются. Увидев череду цифр и букв в обозначении модели, они не знают, с чего начать. Но первый шаг прост: нужно определить, какой именно тип фильтра вам на самом деле нужен.

Полосовые фильтры являются наиболее распространённым типом в РЧ-системы. Их задача проста — пропускать сигналы в определенном частотном диапазоне и блокировать все остальное. Полосовые фильтры можно встретить повсеместно: в передающих и принимающих цепях базовых станций, в входных блоках систем распределенного доступа (DAS) и на входных каскадах ретрансляторов.

Полосовые фильтры (фильтры с выемкой) действуют наоборот — они блокируют только узкий частотный диапазон, а все остальное пропускают. Обычно их используют при наличии конкретной проблемы с помехами, например, когда сильный помеховый сигнал находится прямо в пределах диапазона приема — полосовой фильтр может его подавить.

Фильтры низких и высоких частот используются реже, в основном при работе с постоянным смещением, подавлении гармоник и в аналогичных ситуациях. Часто встречаются фильтры низких частот на выходе усилителей мощности для подавления гармоник, генерируемых усилителем.

Потери на входе – Сигнал исчезает, даже не достигнув антенны

Потери на вставку — это, пожалуй, первый параметр, на который обращают внимание при выборе, но при этом он также является одним из самых непонятных.

Проще говоря, вносимые потери показывают, какая часть мощности сигнала “теряется” при прохождении через фильтр. Если вносимые потери фильтра составляют 0,5 дБ, то при входной мощности 100 Вт на выходе будет примерно 89 Вт — 11 Вт энергии рассеивается внутри фильтра. Если вносимые потери достигают 2 дБ, то при входной мощности 100 Вт на выходе будет только 63 Вт.

В базовой станции и Системы DAS, каждые дополнительные 0,5 дБ вносимых потерь означают, что усилителю мощности приходится работать на столько же интенсивнее, чтобы компенсировать их. При увеличении мощности страдают теплоотвод, энергопотребление и срок службы устройства. Таким образом, пока внеполосное подавление При соблюдении всех требований потери на входе должны всегда быть как можно ниже.

Среди MS TELERF’s продукция для резонансных фильтров, у некоторых моделей типичные вносимые потери не превышают 0,5 дБ, а определенные полосовые фильтры, специально разработанные для систем DAS, могут даже удерживать их на уровне ниже 0,5 дБ. Это довольно высокие показатели для отрасли — хотя, конечно, конкретные значения зависят от частоты, полосы пропускания, уровня мощности и других факторов. Универсального ответа на этот вопрос нет.

Внеполосное подавление – Не допускать проникновения сигналов соседних диапазонов

Если вносимые потери связаны с тем, “сможет ли пройти сигнал, который должен пройти”, то внеполосное подавление связано с тем, “сможет ли быть заблокирован сигнал, который НЕ должен пройти”.”

Подавление внеполосных сигналов обычно выражается в дБ — чем выше значение, тем лучше способность фильтра “не пропускать посторонние сигналы”. Фильтр базовой станции с высокими техническими характеристиками может требовать подавления внеполосных сигналов на уровне 50 дБ или даже 60 дБ и более. Это означает, что помехи вне полосы пропускания ослабляются в 100 000–1 000 000 раз.

Почему это так важно? Сегодняшний радиочастотный спектр перегружен, как метро в час пик — диапазон 900 МГц может находиться в непосредственной близости от диапазона 1800 МГц, причем расстояние между этими двумя системами составляет всего несколько десятков мегагерц. Если внеполосное подавление фильтра недостаточно, в систему будут проникать мощные сигналы из соседнего диапазона. В лучшем случае они повысят уровень шума; в худшем — могут полностью заглушить приемный канал.

Эта проблема еще более остро стоит в системах DAS. Один и тот же DAS может быть вынужден поддерживать несколько частотных диапазонов, используемых разными операторами. Если изоляция между фильтрами недостаточна, продукты интермодуляции и паразитные сигналы могут привести к полному сбою работы всей системы.

Обработка мощности – Не допускайте перегорания фильтра

Мощностная нагрузка Кажется, всё просто — сколько ватт он может выдержать? — но именно здесь часто возникают проблемы при выборе.

Многие люди обращают внимание только на среднюю мощность и игнорируют пиковую мощность. В условиях работы базовых станций сигналы не являются постоянными. Голосовой и данных трафик колеблется между периодами загруженности и простоя, а мощность сильно изменяется. Если мощностная нагрузочная способность фильтра “едва достаточна” для средней мощности, пиковые значения могут вызвать проблемы — от ухудшения показателей PIM вплоть до внутренней дуговой разрядки или пробоя диэлектрика.

Еще один момент, который легко упустить из виду: допустимая мощность и коэффициент вносимых потерь взаимосвязаны. A фильтр При более высоких потерях на вставку при той же входной мощности образуется больше внутреннего тепла. Тепло приводит к расширению резонатора, смещению частотной характеристики и ухудшению показателей PIM. Это замкнутый круг.

MS TELERF’s фильтры, предназначенные для использования в базовых станциях Обычно они рассчитаны на мощность от 150 до 200 Вт, а некоторые модели для наружной установки имеют степень защиты IP67. Если в рамках вашего проекта предусмотрена установка на вершине башни под открытым небом, обязательно проверьте степень защиты от проникновения посторонних веществ и влаги — фильтр, предназначенный для использования в помещении, установленный на улице, может выйти из строя даже после одного ливня.

PIM – Невидимый убийца

Пассивная интермодуляция (PIM) подробно рассматривалась в предыдущей статье, поэтому здесь мы остановимся лишь на аспектах, связанных непосредственно с фильтрами.

Фильтры относятся к компонентам, представляющим наибольший риск для PIM в РЧ-цепь. Причина проста: фильтр состоит из нескольких резонансных полостей, соединенных между собой соединительными элементами, и каждая контактная поверхность, а также каждый регулировочный винт могут стать источником PIM.

В системах DAS и на совместно используемых объектах с участием нескольких операторов показатели PIM фильтра напрямую определяют, насколько низко можно снизить уровень шума системы. Фильтр с плохими показателями PIM при возбуждении высокой мощностью может генерировать продукты интермодуляции, которые попадают непосредственно в диапазон приема — это похоже на то, как будто система сама создает себе помехи.

Требования отрасли к показателям PIM для фильтров, предназначенных для базовых станций, становятся всё более строгими. Серия высокопроизводительных фильтров MS TELERF позволяет достичь показателя PIM на уровне -153 дБc или даже -155 дБc, что соответствует строгим требованиям большинства базовых станций 5G. Однако следует помнить: показатели PIM измеряются в определённых условиях испытаний (обычно при 2 несущих по 43 дБм). В реальных условиях эксплуатации более низкая мощность обеспечивает лучшие показатели PIM, а более высокая — ухудшает их. Необходимо оставлять достаточный запас.

Почему Полостные фильтры Доминирующие позиции в сфере базовых станций и систем распределенного доступа (DAS)

Рассмотрев параметры, давайте перейдем к рассмотрению часто задаваемого вопроса при выборе: резонаторный фильтр или керамический фильтр — какой из них выбрать?

Керамические фильтры имеют меньшие размеры и стоят дешевле, что дает им преимущество в сфере бытовой электроники и в некоторых областях применения, где размеры играют важную роль. Однако в профессиональных системах связи, таких как базовые станции и системы распределенной антенной системы (DAS), резонаторные фильтры являются абсолютным стандартом.

Причина здесь несложная. Резонаторные фильтры характеризуются высоким коэффициентом Q и низким вносимые потери, а также способность выдерживать высокую мощность. При одинаковых требованиях к подавлению внеполосных сигналов резонаторный фильтр позволяет достичь этих показателей с меньшим количеством каскадов и ещё меньшими вносимыми потерями. Кроме того, резонаторные фильтры отличаются конструктивной устойчивостью — изменения температуры и механические вибрации влияют на их характеристики гораздо меньше, чем на керамические фильтры.

Конечно, у резонаторных фильтров есть и свои недостатки — большие размеры, больший вес, более высокая стоимость. Но в базовая станция В сценариях DAS приоритет отдается производительности, а не размерам, поэтому резонаторные фильтры остаются лучшим выбором. Линейка продуктов MS TELERF также ориентирована на резонаторные фильтры и охватывает несколько диапазонов частот от 700 МГц до 2700 МГц.

Отбор на практике: контрольный список, который поможет вам принять решение

Теперь, когда теория осталась позади, предлагаем вам практический контрольный список для выбора. Получив техническое описание фильтра, просмотрите эти пункты один за другим:

• Правильно ли выбран тип фильтра? (полосовой / режекторный / низкочастотный / высокочастотный)
• Полностью ли частота полосы пропускания охватывает ваш рабочий диапазон?
• Не превышают ли потери на вставку допустимые пределы бюджета канала вашей системы?
• Помогает ли внеполосное подавление адекватно подавлять помехи из соседних полос?
• Включает ли номинальная мощность пиковую мощность (а не только среднюю)?
• Соответствует ли производительность PIM требованиям к уровню шума системы?
• Соответствует ли тип разъема остальным компонентам системы? (N-тип, DIN, 4,3–10)
• Установка будет производиться в помещении или на открытом воздухе? Достаточен ли класс защиты по стандарту IP?
• Охватывает ли диапазон рабочих температур климатические условия на месте реализации проекта?

Проверьте эти девять пунктов — и у вас вряд ли возникнут серьезные проблемы с выбором фильтра.

Фильтры — выберите подходящий, и он будет незаметно работать в фоновом режиме; выберите неподходящий — и он может превратить всю вашу систему в настоящий кошмар. Надеюсь, эта статья поможет вам избежать некоторых ошибок в вашем следующем проекте.

Если у вас возникнут вопросы по выбору фильтра или вам понадобятся конкретные технические характеристики продукции и протоколы испытаний, обращайтесь к технической службе MS TELERF.