Sabemos que a comunicação requer um meio de transmissão. As linhas de transmissão, como meio indispensável para a transmissão de informações, desempenham um papel crucial. O seu principal objetivo é transmitir energia de alta frequência de uma extremidade à outra com o mínimo de perda. Existem muitos tipos de linhas de transmissão, tais como condutores paralelos duplos, guias de onda, linhas coaxiais, linhas microstripe linhas de banda.
Relativamente a antenas para estações de base, as três linhas de transmissão mais utilizadas são as linhas coaxiais, as linhas microstrip e as linhas stripline. Cada uma tem as suas vantagens e desvantagens. Utilizá-las numa combinação adequada pode não só reduzir custos, mas também otimizar a rede, melhorando assim a eficiência de radiação da antena.
1. Cabo coaxial – a linha de transmissão mais amplamente utilizada
A transmissão por cabo coaxial consiste em pilares condutores separados, normalmente compostos por um condutor interno, uma camada isolante, um condutor externo e uma bainha externa. O condutor interno é geralmente feito de cobre ou uma liga de cobre, com ar ou um dielétrico de alta frequência preenchendo o espaço entre os condutores interno e externo. O condutor externo é geralmente um fio de cobre trançado ou folha de alumínio.
Muitos antenas de painel instaladas em torres ainda utilizam linhas coaxiais como rede de alimentação principal. Por um lado, a sua estrutura é fixa e fácil de ajustar; por outro lado, oferecem um desempenho estável e uma forte adaptabilidade ambiental.
Os cabos RF rotulados com o prefixo “S” são normalmente cabos coaxiais. No código do material de isolamento:
- Y representa polietileno (PE)
- F representa politetrafluoroetileno (PTFE, F46)
- X representa borracha
- W representa polietileno estabilizado
- D representa polietileno espumado
- U representa dielétrico de ar fluoroplástico
Para materiais de casacos:
- V representa PVC
- Y representa polietileno
- W representa espuma física
- D representa cobre estanhado
- F representa fluoroplástico
A impedância de um Cabo coaxial RF depende da constante dielétrica e dos diâmetros dos condutores interno e externo. Pode ser calculado usando a fórmula (1), onde εᵣ é a constante dielétrica relativa, D é o diâmetro interno do condutor externo, e d é o diâmetro do condutor interno. Atualmente, a maioria dos cabos coaxiais usados em antenas para estações de base têm impedâncias de 35 Ω, 43 Ω, 50 Ω ou 75 Ω.
Do ponto de vista dos dois pilares condutores separados e da transmissão de ondas eletromagnéticas transversais, a tecnologia de transmissão por cabo coaxial apresenta uma atenuação de sinal relativamente menor e cobre uma ampla banda de frequência, teoricamente capaz de cobrir toda a gama de frequências, tornando-a uma escolha superior para a transmissão de sinal. Na comunicação de sinais de radiofrequência, tem uma relação de onda estacionária (VSWR) mais baixa, maximizando a entrega de energia do sinal ao terminal. Além disso, as suas características estruturais únicas tornam-no relativamente resistente à interferência de indução e adequado para comunicações de alta velocidade.
Ao mesmo tempo, para transmissão de longa distância, os cabos coaxiais apresentam perdas e custos mais elevados em comparação com as fibras óticas. O seu raio de curvatura menor significa que curvas ou torções excessivas podem causar deformação estrutural interna, levando à reflexão do sinal, atenuação ou até mesmo interrupção da transmissão. Portanto, eles têm requisitos mais elevados para o espaço de cabeamento.
2. Linhas microstrip – linhas de transmissão integradas de baixo custo
Uma linha microstrip é uma estrutura de linha de transmissão que consiste numa tira condutora metálica, um substrato dielétrico subjacente e um plano de terra. A tira condutora metálica serve como caminho de transmissão do sinal e está localizada na superfície do substrato dielétrico, enquanto o outro lado do substrato dielétrico se conecta a um plano de terra de grande área. Para alcançar uma transmissão de sinal de alta velocidade, existem requisitos elétricos específicos para a PCB (Placa de Circuito Impresso). Para obter baixa perda de sinal e baixo atraso, deve-se selecionar um material de substrato com uma constante dielétrica adequada e uma tangente de perda dielétrica pequena, além de realizar cálculos dimensionais e processamentos rigorosos.
Devido à sua miniaturização e facilidade de integração, a linha microstrip é amplamente utilizada em circuitos digitais de alta velocidade, circuitos RF e circuitos de micro-ondas. Na indústria de antenas, a tecnologia microstrip é comumente usada para fabricar elementos radiantes, divisores de potência, combinadores, filtros, desfasadores de PCB, placas de acoplamento e outros componentes.
A impedância característica de uma linha microstrip varia com a largura do traço e a constante dielétrica. Ela pode ser ajustada alterando a largura da linha microstrip, a espessura do substrato ou a constante dielétrica do material. Para projetos microstrip, é possível obter maior impedância característica e velocidade de transmissão mais rápida usando camadas independentes ou técnicas multicamadas, que ajudam a eliminar o acoplamento magnético entre traços adjacentes — uma das principais vantagens das estruturas microstrip.
Como a constante dielétrica do substrato (εᵣ>1) difere da constante dielétrica do ar (εᵣ=1), as linhas do campo elétrico são distribuídas parcialmente no dielétrico e parcialmente no ar. Isso resulta em um componente longitudinal fraco nos campos elétrico e magnético (ou seja, um modo TEM não puro). A constante dielétrica efetiva (εeff), que combina as contribuições dielétricas do ar e do substrato, é dada pela seguinte expressão:
Impedância característica (Z₀): determina a reflexão e a correspondência do sinal, e há dois casos:
Quando < 1:
Quando ≥ 1
As linhas microstrip, como uma estrutura comum de linha de transmissão plana, são preferidas pelos profissionais de RF devido ao seu baixo custo, facilidade de integração e layout, impedância estável, tamanho pequeno, peso leve, resistência a altas temperaturas e facilidade de depuração.
No entanto, eles também têm algumas limitações, como maior perda de radiação, fraca capacidade anti-interferência, suscetibilidade à interferência eletromagnética interna e pequena tolerância de potência. Atualmente, com o aumento do seu uso, muitos desses problemas foram resolvidos. Por exemplo, as medidas anti-interferência normalmente envolvem a adição de tampas de blindagem, envolvendo a linha microstrip com uma estrutura metálica ou elevando o PCB.
3. Stripline – uma linha de transmissão de baixa radiação e alta compatibilidade
Uma stripline é um fio de transmissão de alta frequência colocado entre dois planos de terra paralelos (ou planos de alimentação) e um material dielétrico. Geralmente, o plano de terra e o fio são separados por um meio isolante.
Devido à estrutura totalmente fechada das linhas de fita, o seu nível de radiação é extremamente baixo. Isso reduz significativamente a interferência eletromagnética no ambiente externo, ao mesmo tempo que proporciona forte imunidade contra ruídos eletromagnéticos externos. Por esse motivo, 5G/6G massivo Antena MIMO Os sistemas geralmente adotam arquiteturas de linha de fita, pois melhoram efetivamente a consistência da amplitude e da fase.
Em circuitos microstrip PCB multicamadas, as linhas de fita também são utilizadas para interconexões verticais e transmissão de sinal entre camadas, aumentando o nível de integração e a densidade funcional da placa de circuito. Além disso, as linhas de fita requerem menos etapas de processamento durante o projeto e a fabricação do circuito, tornando-as mais fáceis de produzir e mais econômicas em comparação com as linhas microstrip.
A impedância característica de uma linha de fita muda com as variações na largura da linha e na constante dielétrica. Essa mudança na impedância característica pode ser obtida ajustando a largura, a altura ou a distância entre a linha de fita e o plano de terra. A impedância característica (Z0) está aproximadamente relacionado com a espessura dielétrica b, a largura do sinal W, e a constante dielétrica εᵣ, com a fórmula aproximada sendo:
As linhas de fita, como uma estrutura especial de linha de transmissão, têm vantagens como excelente desempenho de blindagem eletromagnética, baixa perda de radiação, ampla largura de banda, forte capacidade anti-interferência e adequação para integração de PCB multicamadas. No entanto, elas também têm algumas desvantagens, incluindo principalmente processos de fabricação complexos, alta sensibilidade à impedância, desempenho limitado em alta frequência, baixa flexibilidade de integração e dificuldade de depuração.
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