Abschwächung von Interferenzen bei Hochleistungs-Mikrowellen und Multiband-Koexistenz: Ein tiefer Einblick in die Antennenentkopplung und nichtlineare Verzerrung

In der Ära von 5G-Advanced und dem Übergang zu 6G haben die Funkfrequenzspektrumsressourcen eine noch nie dagewesene Dichte und Leistungsintensität erreicht. Moderne Telekommunikationstürme müssen jetzt gleichzeitig eine 700-MHz-Niedrigbandabdeckung, 2,6-GHz-/3,5-GHz-Kapazitätsschichten und Mikrowellen-Backhaul-Verbindungen unterstützen, die über 6-GHz oder sogar im E-Band (80-GHz) arbeiten. In diesen Hochleistungs-Mikrowellenumgebungen sind die gegenseitige Kopplung zwischen Antennen und die passive Intermodulation (PIM) zu den primären Engpässen für das Rauschbodenmanagement im Netz geworden. Die Lösung dieser Interferenzprobleme erfordert einen grundlegenden Wandel bei der elektromagnetischen Entkopplung und dem Design der physikalischen Architektur.

1. die Physik des Spektrums, von der Beugung bis zur quasi-optischen Ausbreitung

Erforderlich ist ein klares Verständnis dafür, wie Interferenzen reduziert werden können. Dieses Verständnis beginnt mit der Messung der physikalischen Unterschiede zwischen Frequenzbändern, die durch ihre Wellenlängen (Lambda) bestimmt werden.

Low-Band (600MHz - 960MHz): Die Grundlage der Abdeckung

• Leistung: Mit Wellenlängen zwischen 30 cm und 50 cm sind diese Signale besonders beugungsfähig, so dass sie große Hindernisse umgehen und tief in Gebäude eindringen können.
• Design-Herausforderungen: Aufgrund der physischen Größe der Antennenelemente ist der Platz im Inneren der Integrierte Multiband-Antennen ist äußerst begrenzt.
• Technischer Schmerzpunkt:Ein großes technisches Problem bei Low-Band-Schaltungen ist ihre hohe Empfindlichkeit gegenüber nahen Metallobjekten. Das liegt daran, dass sie eine große Teilbandbreite haben, was oft zu Schwankungen der Rückflussdämpfung führt.

Mittel- und Hochband (Sub-6GHz: 1,7GHz - 6,0GHz): Der 5G-Kapazitätskern

• Leistung: Mit der Unterstützung von 100-MHz-Trägern ist dies das “goldene Band” für die Massive MIMO-Technologie.
• Gestaltungsmerkmale: Die Elemente sind auf Zentimetergröße reduziert (ca. 4 cm bis 8 cm), was die Integration von Arrays in großem Maßstab ermöglicht.
• Technischer Schmerzpunkt: Die Abstände der Elemente liegen in der Regel zwischen 0,5 und 0,7 Lambda. Bei dieser Dichte kann der Kopplungskoeffizient bis zu -15 dB betragen, was die Präzision des 3D-Beamforming direkt einschränkt.

Mikrowellenbänder (6GHz - 80GHz): Die quasi-optische Kluft

Sobald die Frequenz die 6-GHz-Schwelle überschreitet, verhalten sich die elektromagnetischen Wellen wie Licht:

• Line-of-Sight (LoS) Übertragung: Es gibt fast keine Beugungsmöglichkeiten. Jedes physische Hindernis (Bäume, Schilder) kann einen sofortigen Verbindungsabbruch verursachen.
• Energie-Konzentration:Antennen bündeln Energie durch hochverstärkende Parabolantenne Designs, die oft eine Verstärkung von 35dBi oder mehr erreichen, und schmale Strahlenbreiten, typischerweise zwischen 1 und 3 Grad. Dies erfordert sehr stabile mechanische Strukturen, da selbst eine kleine Bewegung von 1 Grad das Signal erheblich reduzieren kann.

2. die wichtigsten technischen Wege zur Verringerung von Interferenzen

Um zu verhindern, dass Mikrowellenquellen mit hoher Leistung empfindliche Sub-6-GHz-Empfänger beschädigen, sind drei Entkopplungsstufen erforderlich:

Entkopplung der physikalischen Schicht: Charakteristische Modusanalyse (CMA)

Niedrigbandige Teile von Integrierte Multiband-Antennen wirken oft als “parasitäre Strahler” für Hochfrequenzsignale.

• Die Logik: Ingenieure verwenden CMA, um den Weg der induzierten Ströme im Radom zu finden.
• Die Lösung: Ingenieure verwenden Neutralisierungsleitungen, um einen speziellen induktiven oder kapazitiven Kopplungspfad zu schaffen, der einen Kompensationsstrom mit entgegengesetzter Phase sendet. Dadurch kann die Isolierung von -15 dB auf unter -30 dB verbessert werden, ohne dass die Objekte weiter voneinander entfernt werden müssen.

Räumliche Entkopplung: Strukturen mit elektromagnetischer Bandlücke (EBG)

Bei der Hochleistungskoexistenz ist die Oberflächenwellenleitung entlang des metallischen Reflektors eine der Hauptursachen dafür, dass Signale aus verschiedenen Bändern miteinander interferieren können.

• Das Prinzip: In die Reflektorplatte werden immer wieder EBG-Strukturen geätzt, die wie “Pilze” oder “Spiralen” aussehen.
• Wirkung: EBG-Strukturen bilden eine Photonische Bandlücke, die Oberflächenwellen stoppt. Dies funktioniert sehr gut, um 3,5-GHz-Interferenzen von 2,1-GHz-Empfängern fernzuhalten, ohne das Hauptstrahlungsmuster zu verändern.

Nichtlineare Abschwächung: Kontrolle des mikroskopischen PIM

Bei hoher Leistung (43dBm oder mehr) können selbst kleine nichtlineare Kontakte Intermodulationsverzerrungen (PIM) verursachen.

• Materialwissenschaft: Ferromagnetische Materialien wie Nickel und Stahl können Sie überhaupt nicht verwenden. Sie müssen entweder Dreifach-Metall (Suco-plate) oder eine Silberbeschichtung verwenden.
• Wärmemanagement: Steckverbinder werden heiß, wenn sie mit viel Strom versorgt werden. Durch die Wärmeausdehnung ändert sich der Druck auf die Kontakte, was zu einem “Jitter” des PIM führt. Professionelle Designs verwenden hochelastische Phosphorbronzekontakte, um das PIM stabil unter -160dBc zu halten und den Druck von -40°C bis +85°C konstant zu halten.

3. praktische Anwendungen: Ko-Lokation von 5G-Makro-Standorten und Mikrowellen-Backhaul

Wenn 15GHz- oder 23GHz-Mikrowellen Parabolantennen neben 5G-AAU-Einheiten auf derselben Plattform installiert werden, sind bestimmte Überlegungen von größter Bedeutung:

• Optimierung der Nebenkeulenunterdrückung (RPE) : Mikrowellenantennen müssen die ETSI-Normen der Klasse 3 oder 4 zur Optimierung der Nebenkeulenunterdrückung (RPE) einhalten. Dies ist von entscheidender Bedeutung, da eine verbesserte RPE-Leistung (Radiation Pattern Envelope) sicherstellt, dass leistungsstarke Mikrowellenenergie nicht versehentlich in die Empfangsnebenkeulen der 5G-Antenne gelangt.
• Vertikale räumliche Isolierung : Ein vertikaler Abstand von zwei Metern bietet nachweislich eine wesentlich effektivere Isolierung als ein horizontaler Abstand von fünf Metern, wie empirische Daten zeigen. Dieser Vorteil ergibt sich aus dem schmalen vertikalen Gewinnprofil der Antennen von Basisstationen.
• Polarisationsvielfalt : Durch die vertikale Polarisation bei Mikrowellenverbindungen und die orthogonale +/- 45-Grad-Polarisation in 5G-Systemen wird eine zusätzliche physikalische Isolierung von 20-30 dB erreicht. Der Grund dafür ist der Polarisationsverlust.

Schlussbemerkungen

Die Herausforderung, Interferenzen zwischen Hochleistungs-Mikrowellenquellen und Multibandsystemen zu reduzieren, erfordert beträchtliche technische Fähigkeiten, insbesondere in den Bereichen elektromagnetische Theorie, Materialwissenschaft und präzise Fertigung. Da das 6G-Paradigma in Richtung Terahertz-Frequenzen (THz) fortschreitet, wird erwartet, dass die Integration und Aktivität von Antennen zunehmen wird. Führende Hersteller setzen weiterhin auf fortschrittliche elektromagnetische Simulation und Low-PIM-Fertigung Methoden zur Schaffung stabiler, hochlinearer Kommunikationsgrundlagen für globale Infrastrukturen.