Líneas de transmisión comunes utilizadas en antenas de estaciones base

Sabemos que la comunicación requiere un medio de transmisión. Las líneas de transmisión, como medio indispensable para la transmisión de información, desempeñan un papel crucial. Su principal objetivo es transmitir energía de alta frecuencia de un extremo a otro con una pérdida mínima. Existen muchos tipos de líneas de transmisión, como los conductores gemelos paralelos, las guías de onda, líneas coaxiales, líneas microstripy líneas de banda.

En relación con antenas de estación base, Las tres líneas de transmisión más utilizadas son las líneas coaxiales, las líneas microstrip y las líneas stripline. Cada una tiene sus ventajas y desventajas. Utilizarlas en una combinación adecuada no solo permite ahorrar costes, sino también optimizar la red, mejorando así la eficiencia de radiación de la antena.

1. Cable coaxial: la línea de transmisión más utilizada.

La transmisión por cable coaxial consiste en pilares conductores separados, que suelen comprender un conductor interno, una capa aislante, un conductor externo y una cubierta externa. El conductor interno suele estar fabricado en cobre o una aleación de cobre, con aire o un dieléctrico de alta frecuencia que rellena el espacio entre los conductores interno y externo. El conductor externo suele ser un cable de cobre trenzado o una lámina de aluminio.

Muchos antenas de panel instaladas en torres siguen utilizando líneas coaxiales como red de alimentación principal. Por un lado, su estructura es fija y fácil de sintonizar; por otro lado, ofrecen un rendimiento estable y una gran adaptabilidad al entorno.

Los cables RF etiquetados con el prefijo “S” suelen ser cables coaxiales. En el código del material aislante:

• Y representa polietileno (PE)
• F representa politetrafluoroetileno (PTFE, F46)
• X representa el caucho
• W representa polietileno estabilizado
• D representa polietileno espumado
• U representa un dieléctrico de aire de fluoroplástico

Para materiales de chaquetas:

• V representa PVC
• Y representa polietileno
• W representa espuma física
• D representa cobre estañado
• F representa fluoroplástico

La impedancia de un Cable coaxial RF depende de la constante dieléctrica y de los diámetros de los conductores interno y externo. Se puede calcular utilizando la fórmula (1), donde εᵣ es la constante dieléctrica relativa, D es el diámetro interior del conductor exterior, y d es el diámetro del conductor interno. Actualmente, la mayoría de los cables coaxiales utilizados en antenas de estación base tienen impedancias de 35 Ω, 43 Ω, 50 Ω o 75 Ω.

Desde la perspectiva de los dos pilares conductores separados y la transmisión de ondas electromagnéticas transversales, la tecnología de transmisión por cable coaxial presenta una atenuación de señal relativamente menor y cubre una amplia banda de frecuencias, siendo teóricamente capaz de cubrir todo el rango de frecuencias, lo que la convierte en una opción superior para la transmisión de señales. En la comunicación de señales de radiofrecuencia, tiene una relación de onda estacionaria (VSWR) más baja, lo que maximiza la entrega de energía de la señal al terminal. Además, sus características estructurales únicas lo hacen relativamente resistente a las interferencias de inducción y adecuado para la comunicación de alta velocidad.

Al mismo tiempo, para la transmisión a larga distancia, los cables coaxiales tienen mayores pérdidas y mayores costes en comparación con las fibras ópticas. Su radio de curvatura más pequeño significa que una flexión o torsión excesiva puede causar una deformación estructural interna, lo que provoca la reflexión de la señal, la atenuación o incluso la interrupción de la transmisión. Por lo tanto, tienen mayores requisitos en cuanto al espacio de cableado.

2. Líneas microstrip: líneas de transmisión integradas de bajo coste.

Una línea microstrip es una estructura de línea de transmisión que consta de una tira conductora metálica, un sustrato dieléctrico subyacente y un plano de tierra. La tira conductora metálica sirve como vía de transmisión de la señal y se encuentra en la superficie del sustrato dieléctrico, mientras que el otro lado del sustrato dieléctrico se conecta a un plano de tierra de gran superficie. Para lograr una transmisión de señales a alta velocidad, existen requisitos eléctricos específicos para la PCB (placa de circuito impreso). Para lograr una baja pérdida de señal y un bajo retardo, se debe seleccionar un material de sustrato con una constante dieléctrica adecuada y una tangente de pérdida dieléctrica pequeña, y se deben realizar cálculos dimensionales y procesamientos rigurosos.

Debido a su miniaturización y facilidad de integración, la línea microstrip se utiliza ampliamente en circuitos digitales de alta velocidad, circuitos de RF y circuitos de microondas. En la industria de las antenas, la tecnología microstrip se utiliza comúnmente para fabricar elementos radiantes, divisores de potencia, combinadores, filtros, desfasadores de PCB, placas de acoplamiento y otros componentes.

La impedancia característica de una línea microstrip varía con el ancho de la traza y la constante dieléctrica. Se puede ajustar cambiando el ancho de la línea microstrip, el grosor del sustrato o la constante dieléctrica del material. En los diseños microstrip, se puede lograr una impedancia característica más alta y una velocidad de transmisión más rápida utilizando capas independientes o técnicas multicapa, lo que ayuda a eliminar el acoplamiento magnético entre trazas adyacentes, una de las principales ventajas de las estructuras microstrip.

Debido a que la constante dieléctrica del sustrato (εᵣ>1) difiere de la del aire (εᵣ=1), las líneas del campo eléctrico se distribuyen en parte en el dieléctrico y en parte en el aire. Esto da como resultado un componente longitudinal débil tanto en el campo eléctrico como en el magnético (es decir, un modo TEM no puro). La constante dieléctrica efectiva (ε_eff), que combina las contribuciones dieléctricas tanto del aire como del sustrato, viene dada por la siguiente expresión:

Impedancia característica (Z₀): determina la reflexión y la adaptación de la señal, y hay dos casos:

Cuando < 1:

Cuando ≥ 1

Las líneas microstrip, como estructura común de líneas de transmisión planas, son las preferidas por los profesionales de RF debido a su bajo coste, facilidad de integración y diseño, impedancia estable, tamaño reducido, peso ligero, resistencia a altas temperaturas y facilidad de depuración.

Sin embargo, también tienen algunas limitaciones, como una mayor pérdida de radiación, una capacidad antiinterferencias débil, susceptibilidad a la diafonía electromagnética interna y una tolerancia de potencia reducida. Actualmente, con su uso cada vez más extendido, muchos de estos problemas se han solucionado. Por ejemplo, las medidas antiinterferencias suelen consistir en añadir cubiertas de blindaje, rodear la línea microstrip con un marco metálico o elevar la placa de circuito impreso.

3. Stripline: una línea de transmisión de baja radiación y alta compatibilidad.

Una línea de banda es un cable de transmisión de alta frecuencia colocado entre dos planos de tierra paralelos (o planos de alimentación) y un material dieléctrico. Por lo general, el plano de tierra y el cable están separados por un medio aislante.

Debido a la estructura totalmente cerrada de las líneas de banda, su nivel de radiación es extremadamente bajo. Esto reduce significativamente la interferencia electromagnética en el entorno externo, al tiempo que proporciona una fuerte inmunidad contra el ruido electromagnético entrante. Por esta razón, 5G/6G masivo Antena MIMO Los sistemas suelen adoptar arquitecturas de línea de banda, ya que mejoran eficazmente la consistencia de la amplitud y la fase.

En los circuitos microstrip de PCB multicapa, las líneas de banda también se utilizan para interconexiones verticales y transmisión de señales entre capas, lo que aumenta el nivel de integración y la densidad funcional de la placa de circuito. Además, las líneas de banda requieren menos pasos de procesamiento durante el diseño y la fabricación de circuitos, lo que las hace más fáciles de producir y más rentables en comparación con las líneas microstrip.

La impedancia característica de una línea de banda cambia con las variaciones en su ancho de línea y constante dieléctrica. Este cambio en la impedancia característica se puede lograr ajustando el ancho, la altura o la distancia entre la línea de banda y el plano de tierra. La impedancia característica (Z₀) está relacionado aproximadamente con el espesor dieléctrico b, la anchura de la señal W, y la constante dieléctrica εᵣ, siendo la fórmula aproximada:

Las líneas de banda, como estructura especial de línea de transmisión, tienen ventajas tales como un excelente rendimiento de blindaje electromagnético, baja pérdida de radiación, amplio ancho de banda, gran capacidad antiinterferencias y adecuación para la integración de PCB multicapa. Sin embargo, también tienen algunas desventajas, entre las que se incluyen principalmente procesos de fabricación complejos, alta sensibilidad a la impedancia, rendimiento limitado en alta frecuencia, poca flexibilidad de integración y dificultad de depuración.