Mitigación de interferencias en microondas de alta potencia y coexistencia multibanda: Profundización en el desacoplamiento de antenas y la distorsión no lineal

En la era del 5G-Advanced y la transición hacia el 6G, los recursos del espectro de radiofrecuencia (RF) han alcanzado un estado de densidad e intensidad de potencia sin precedentes. Las torres de telecomunicaciones modernas deben ahora soportar simultáneamente cobertura de banda baja de 700 MHz, capas de capacidad de 2,6 GHz/3,5 GHz y enlaces de backhaul de microondas que operan por encima de 6 GHz o incluso en la banda E (80 GHz). En estos entornos de microondas de alta potencia (HPM), el acoplamiento mutuo entre antenas y la intermodulación pasiva (PIM) se han convertido en los principales cuellos de botella para la gestión del ruido de fondo de la red. Resolver estos problemas de interferencias exige un cambio fundamental en el desacoplamiento electromagnético y el diseño de la arquitectura física.

1.La física del espectro, de la difracción a la propagación cuasióptica

Requiere una comprensión clara de cómo reducir las interferencias. Esta comprensión comienza con la medición de las diferencias físicas entre las bandas de frecuencia, que vienen determinadas por sus longitudes de onda (lambda).

Banda baja (600MHz - 960MHz): La base de la cobertura

• Rendimiento: Con longitudes de onda de entre 30 y 50 cm, estas señales destacan en difracción, lo que les permite doblarse alrededor de grandes obstáculos y penetrar hasta lo más profundo de los edificios.
• Desafíos de diseño: Debido al tamaño físico de los elementos de antena, el espacio interno en antenas integradas multibanda es extremadamente limitada.
• Punto débil de la ingeniería:Uno de los principales problemas técnicos de los circuitos de banda baja es su alta sensibilidad a los objetos metálicos cercanos. Esto se debe a que tienen un gran ancho de banda fraccional, lo que a menudo provoca fluctuaciones en las Pérdidas de Retorno.

Banda media y alta (Sub-6GHz: 1,7GHz - 6,0GHz): El núcleo de capacidad 5G

• Rendimiento: Compatible con portadoras de 100 MHz, es la “banda de oro” para la tecnología MIMO masiva.
• Características de diseño: Los elementos se reducen a escala centimétrica (aprox. 4 cm-8 cm), lo que permite la integración de matrices a gran escala.
• Punto débil de la ingeniería: Los elementos suelen estar espaciados entre 0,5 y 0,7 lambda. Con esta densidad, el coeficiente de acoplamiento puede llegar a -15 dB, lo que limita directamente la precisión de la formación de haces 3D.

Bandas de microondas (6GHz - 80GHz): La división cuasi-óptica

Una vez que la frecuencia cruza el umbral de los 6GHz, las ondas electromagnéticas se comportan como la luz:

• Transmisión en línea de visión directa (LoS): Casi no hay capacidad de difracción. Cualquier obstrucción física (árboles, señalización) puede provocar una caída inmediata del enlace.
• Concentración de energía:Las antenas concentran la energía parabólica de alta ganancia a menudo alcanzan ganancias de 35 dBi o más, y anchuras de haz estrechas, normalmente entre 1 y 3 grados. Esto requiere estructuras mecánicas muy estables, porque incluso un pequeño movimiento de 1 grado puede reducir significativamente la señal.

2.Principales vías técnicas para reducir las interferencias

Se necesitan tres niveles de desacoplamiento para evitar que las fuentes de microondas de alta potencia dañen los sensibles receptores Sub-6GHz:

Desacoplamiento de la capa física: Análisis modal característico (AMC)

Partes de banda baja de antenas integradas multibanda suelen actuar como “radiadores parásitos” de señales de alta frecuencia.

• La lógica: Los ingenieros utilizan el CMA para encontrar la trayectoria de las corrientes inducidas en el radomo.
• La solución: Los ingenieros utilizan las Líneas de Neutralización para hacer un camino de acoplamiento inductivo o capacitivo específico que envíe una corriente de compensación con la fase opuesta. Esto puede mejorar el aislamiento, pasando de -15 dB a menos de -30 dB, sin separar más los objetos.

Desacoplamiento espacial: Estructuras con banda prohibida electromagnética (EBG)

En la coexistencia de alta potencia, la conducción de ondas superficiales a lo largo del reflector metálico es una de las principales vías por las que las señales de diferentes bandas pueden interferir entre sí.

• Principio: En la placa reflectora se graban de vez en cuando estructuras EBG con aspecto de “setas” o “espirales”.
• Efecto: Las estructuras EBG crean una brecha de banda fotónica que detiene las ondas superficiales. Esto funciona muy bien para evitar que las interferencias de 3,5 GHz lleguen a los receptores de 2,1 GHz sin cambiar el patrón de radiación principal.

Mitigación no lineal: Control del PIM microscópico

Cuando la potencia es alta (43dBm o superior), incluso pequeños contactos no lineales pueden causar Distorsión por Intermodulación (PIM).

• Ciencia de los materiales: No se pueden utilizar materiales ferromagnéticos como el níquel y el acero. Hay que utilizar triple metal (Suco-plate) o baño de plata.
• Gestión térmica: Los conectores se calientan cuando reciben mucha potencia. La expansión térmica cambia la presión sobre los contactos, lo que hace que el PIM “fluctúe”. Los diseños profesionales utilizan contactos de bronce fosforoso de alta elasticidad para mantener el PIM estable por debajo de -160dBc y mantener la presión constante de -40°C a +85°C.

3.Aplicaciones prácticas: Coubicación de macroemplazamientos 5G y backhaul de microondas

Cuando las microondas de 15GHz o 23GHz antenas parabólicas se instalan junto a unidades AAU 5G en la misma plataforma, ciertas consideraciones son primordiales:

• Optimización de la supresión de lóbulos laterales (RPE) : Las antenas de microondas deben cumplir las normas ETSI Clase 3 o Clase 4 relativas a la optimización de la supresión de lóbulos laterales (RPE). Esto es crucial porque la mejora del rendimiento de la envolvente del diagrama de radiación (RPE) garantiza que la energía de microondas de alta potencia no entre inadvertidamente en los lóbulos laterales de recepción de la antena 5G.
• Aislamiento espacial vertical : Está demostrado que una separación vertical de dos metros ofrece un aislamiento mucho más eficaz que una separación horizontal de cinco metros, como sugieren los datos empíricos. Esta ventaja se deriva del estrecho perfil de ganancia vertical inherente a las antenas de estación base.
• Diversidad de polarización : Se consigue utilizando polarización vertical para las conexiones de microondas y polarización ortogonal de +/- 45 grados en los sistemas 5G, lo que proporciona entre 20 y 30 dB adicionales de aislamiento físico. Esto se debe a la pérdida de polarización.

Observaciones finales

El reto de reducir las interferencias entre fuentes de microondas de alta potencia y sistemas multibanda exige considerables conocimientos de ingeniería, sobre todo en teoría electromagnética, ciencia de los materiales y fabricación precisa. A medida que el paradigma 6G avanza hacia las frecuencias de terahercios (THz), se prevé un aumento de la integración y la actividad de las antenas. Los principales fabricantes siguen dando prioridad a la simulación electromagnética avanzada y a la fabricación de antenas. fabricación de bajo PIM métodos para establecer bases de comunicación estables y de alta linealidad para la infraestructura mundial.