Häufig verwendete Übertragungsleitungen in Basisstationsantennen

Wir wissen, dass Kommunikation einen Träger benötigt. Übertragungsleitungen spielen als unverzichtbares Medium für die Informationsübertragung eine entscheidende Rolle. Ihr Hauptzweck besteht darin, hochfrequente Energie mit minimalen Verlusten von einem Ende zum anderen zu übertragen. Es gibt viele Arten von Übertragungsleitungen, wie beispielsweise parallele Zwillingsleiter, Wellenleiter, Koaxialleitungen, Mikrostreifenleitungenund Streifenleitungen.

In Bezug auf Antennen für Basisstationen, Die drei am häufigsten verwendeten Übertragungsleitungen sind Koaxialleitungen, Mikrostreifenleitungen und Streifenleitungen. Jede hat ihre Vor- und Nachteile. Durch ihre richtige Kombination lassen sich nicht nur Kosten sparen, sondern auch das Netzwerk optimieren und damit die Strahlungseffizienz der Antenne verbessern.

1. Koaxialkabel – die am häufigsten verwendete Übertragungsleitung

Die Koaxialkabelübertragung besteht aus separaten Leiterpfosten, die in der Regel aus einem Innenleiter, einer Isolierschicht, einem Außenleiter und einem Außenmantel bestehen. Der Innenleiter besteht in der Regel aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, wobei der Raum zwischen dem Innen- und dem Außenleiter mit Luft oder einem hochfrequenten Dielektrikum gefüllt ist. Der Außenleiter besteht in der Regel aus einem geflochtenen Kupferdraht oder einer Aluminiumfolie.

Viele Panel-Antennen Auf Türmen installierte Anlagen verwenden nach wie vor Koaxialkabel als primäres Speisenetzwerk. Einerseits ist ihre Struktur fest und leicht einzustellen, andererseits bieten sie eine stabile Leistung und eine hohe Anpassungsfähigkeit an die Umgebung.

HF-Kabel, die mit dem Präfix “S” gekennzeichnet sind, sind in der Regel Koaxialkabel. Im Isolationsmaterialcode:

• Y steht für Polyethylen (PE)
• F steht für Polytetrafluorethylen (PTFE, F46)
• X steht für Gummi
• W steht für stabilisiertes Polyethylen
• D steht für geschäumtes Polyethylen
• U stellt Fluorkunststoff-Luftdielektrikum dar

Für Jackenmaterialien:

• V steht für PVC
• Y steht für Polyethylen
• W stellt physikalischen Schaum dar
• D steht für verzinntes Kupfer
• F steht für Fluorkunststoff

Die Impedanz eines HF-Koaxialkabel hängt von der Dielektrizitätskonstante und den Durchmessern des Innen- und Außenleiters ab. Er kann mit Hilfe der Formel (1) berechnet werden, wobei εᵣ ist die relative Dielektrizitätskonstante, D ist der Innendurchmesser des Außenleiters, und d ist der Durchmesser des Innenleiters. Derzeit werden die meisten Koaxialkabel verwendet in Antennen für Basisstationen haben Impedanzen von 35 Ω, 43 Ω, 50 Ω oder 75 Ω.

Aus der Perspektive der beiden getrennten Leiterpfosten und der Übertragung von transversalen elektromagnetischen Wellen weist die Koaxialkabelübertragungstechnologie eine relativ geringe Signaldämpfung auf und deckt ein breites Frequenzband ab, das theoretisch den gesamten Frequenzbereich abdecken kann, was sie zu einer hervorragenden Wahl für die Signalübertragung macht. Bei der Hochfrequenzsignalkommunikation weist sie ein geringeres Stehwellenverhältnis (VSWR) auf, wodurch die Signalenergieübertragung zum Endgerät maximiert wird. Darüber hinaus ist sie aufgrund ihrer einzigartigen strukturellen Eigenschaften relativ unempfindlich gegenüber Induktionsstörungen und eignet sich für die Hochgeschwindigkeitskommunikation.

Gleichzeitig weisen Koaxialkabel bei der Übertragung über große Entfernungen im Vergleich zu Glasfaserkabeln höhere Verluste und höhere Kosten auf. Aufgrund ihres geringeren Biegeradius kann eine übermäßige Biegung oder Verdrehung zu einer Verformung der inneren Struktur führen, was Signalreflexionen, Dämpfung oder sogar Übertragungsunterbrechungen zur Folge haben kann. Daher stellen sie höhere Anforderungen an den Verkabelungsraum.

2. Mikrostreifenleitungen – kostengünstige integrierte Übertragungsleitungen

Eine Mikrostreifenleitung ist eine Übertragungsleitungsstruktur, die aus einem Metallleiterstreifen, einem darunter liegenden dielektrischen Substrat und einer Grundplatte besteht. Der Metallleiterstreifen dient als Signalübertragungsweg und befindet sich auf der Oberfläche des dielektrischen Substrats, während die andere Seite des dielektrischen Substrats mit einer großflächigen Grundplatte verbunden ist. Um eine schnelle Signalübertragung zu erreichen, gibt es spezifische elektrische Anforderungen an die Leiterplatte (Printed Circuit Board, PCB). Um einen geringen Signalverlust und eine geringe Verzögerung zu erreichen, muss ein Substratmaterial mit einer geeigneten Dielektrizitätskonstante und einem geringen dielektrischen Verlustfaktor ausgewählt werden, und es müssen strenge Dimensionsberechnungen und Bearbeitungen durchgeführt werden.

Aufgrund ihrer Miniaturisierung und einfachen Integration wird die Mikrostreifenleitung häufig in digitalen Hochgeschwindigkeitsschaltungen, HF-Schaltungen und Mikrowellenschaltungen eingesetzt. In der Antennenindustrie wird die Mikrostreifen-Technologie häufig zur Herstellung von Strahlungselementen, Leistungsteilern, Kombinatoren usw. verwendet., filtert, PCB-Phasenschieber, Kopplungsplatinen und andere Komponenten.

Die charakteristische Impedanz einer Mikrostreifenleitung variiert mit der Leiterbahnbreite und der Dielektrizitätskonstante. Sie kann durch Ändern der Breite der Mikrostreifenleitung, der Substratdicke oder der Dielektrizitätskonstante des Materials angepasst werden. Bei Mikrostreifenkonstruktionen lassen sich eine höhere charakteristische Impedanz und eine schnellere Übertragungsgeschwindigkeit durch die Verwendung unabhängiger Schichten oder Mehrschichttechniken erzielen, wodurch die magnetische Kopplung zwischen benachbarten Leiterbahnen vermieden wird – einer der größten Vorteile von Mikrostreifenstrukturen.

Da sich die Dielektrizitätskonstante des Substrats (εᵣ>1) von der der Luft (εᵣ=1) unterscheidet, verteilen sich die elektrischen Feldlinien teilweise im Dielektrikum und teilweise in der Luft. Dies führt zu einer schwachen Längskomponente sowohl im elektrischen als auch im magnetischen Feld (d. h. zu einem nicht reinen TEM-Modus). Die effektive Dielektrizitätskonstante (ε_eff), der die dielektrischen Beiträge sowohl der Luft als auch des Substrats kombiniert, wird durch den folgenden Ausdruck gegeben:

Charakteristische Impedanz (Z₀): bestimmt die Signalreflexion und -anpassung, wobei zwei Fälle zu unterscheiden sind:

Wenn < 1:

Wenn ≥ 1

Mikrostreifenleitungen sind eine gängige Struktur für planare Übertragungsleitungen und werden von HF-Fachleuten aufgrund ihrer geringen Kosten, einfachen Integration und Anordnung, stabilen Impedanz, geringen Größe, geringen Gewichts, hohen Temperaturbeständigkeit und einfachen Fehlerbehebung bevorzugt.

Allerdings weisen sie auch einige Einschränkungen auf, wie beispielsweise einen höheren Strahlungsverlust, eine schwache Störfestigkeit, eine Anfälligkeit für interne elektromagnetische Übersprechen und eine geringe Leistungstoleranz. Mit ihrer zunehmenden Verbreitung wurden viele dieser Probleme inzwischen gelöst. So umfassen Maßnahmen zur Störfestigkeit beispielsweise das Anbringen von Abschirmabdeckungen, das Umgeben der Mikrostreifenleitung mit einem Metallrahmen oder das Anheben der Leiterplatte.

3. Stripline – eine strahlungsarme, hochkompatible Übertragungsleitung

Eine Streifenleitung ist ein Hochfrequenz-Übertragungskabel, das zwischen zwei parallelen Grundplatten (oder Stromplatten) und einem dielektrischen Material angeordnet ist. Im Allgemeinen sind die Grundplatte und das Kabel durch ein isolierendes Medium voneinander getrennt.

Aufgrund der vollständig geschlossenen Struktur von Streifenleitungen ist ihre Strahlungsintensität extrem gering. Dies reduziert elektromagnetische Störungen der Außenumgebung erheblich und bietet gleichzeitig eine hohe Immunität gegen eingehende elektromagnetische Störsignale. Aus diesem Grund sind 5G/6G massive MIMO-Antenne Systeme verwenden in der Regel Streifenleitungsarchitekturen, da diese die Amplituden- und Phasenkonsistenz effektiv verbessern.

In mehrschichtigen Leiterplatten-Mikrostreifen-Schaltungen werden Streifenleitungen auch für vertikale Verbindungen und die Signalübertragung zwischen den Schichten verwendet, wodurch der Integrationsgrad und die Funktionsdichte der Leiterplatte erhöht werden. Darüber hinaus erfordern Streifenleitungen weniger Verarbeitungsschritte bei der Schaltungsentwicklung und -herstellung, wodurch sie im Vergleich zu Mikrostreifenleitungen einfacher herzustellen und kostengünstiger sind.

Die charakteristische Impedanz einer Streifenleitung ändert sich mit Schwankungen ihrer Leitungsbreite und Dielektrizitätskonstante. Diese Änderung der charakteristischen Impedanz kann durch Anpassung der Breite, Höhe oder des Abstands der Streifenleitung zur Grundplatte erreicht werden. Die charakteristische Impedanz (Z₀) steht in ungefährer Beziehung zur dielektrischen Dicke b, die Signalbreite W, und die Dielektrizitätskonstante εᵣ, wobei die Näherungsformel lautet:

Streifenleitungen sind eine spezielle Art von Übertragungsleitungen, die einige Vorteile haben, wie zum Beispiel eine super Abschirmung gegen elektromagnetische Strahlung, wenig Strahlungsverluste, eine große Bandbreite, eine starke Störfestigkeit und die Möglichkeit, sie in mehrschichtige Leiterplatten zu integrieren. Aber sie haben auch ein paar Nachteile, vor allem komplizierte Herstellungsverfahren, eine hohe Impedanzempfindlichkeit, eine eingeschränkte Hochfrequenzleistung, eine schlechte Integrationsflexibilität und schwieriges Debugging.