Atenuação da interferência em micro-ondas de alta potência e coexistência multibanda: Um mergulho profundo no desacoplamento de antenas e na distorção não linear

Na era do 5G-Advanced e da transição para o 6G, os recursos do espetro de radiofrequência (RF) atingiram um estado sem precedentes de densidade e intensidade de potência. As torres de telecomunicações modernas têm agora de suportar simultaneamente uma cobertura de banda baixa de 700 MHz, camadas de capacidade de 2,6 GHz/3,5 GHz e ligações de backhaul de micro-ondas que operam acima de 6 GHz ou mesmo na banda E (80 GHz). Nestes ambientes de micro-ondas de alta potência (HPM), o acoplamento mútuo entre antenas e a intermodulação passiva (PIM) tornaram-se os principais estrangulamentos para a gestão do nível de ruído da rede. A resolução destes desafios de interferência exige uma mudança fundamental no desacoplamento eletromagnético e na conceção da arquitetura física.

1. a física do espetro, da difração à propagação quasi-ótica

Requer uma compreensão clara de como reduzir a interferência. Esta compreensão começa com a medição das diferenças físicas entre bandas de frequência, que são determinadas pelos seus comprimentos de onda (lambda).

Banda Baixa (600MHz - 960MHz): A base da cobertura

• Desempenho: Com comprimentos de onda entre 30 cm e 50 cm, estes sinais são excelentes em termos de difração, o que lhes permite contornar grandes obstáculos e penetrar profundamente nos edifícios.
• Desafios de conceção: Devido ao tamanho físico dos elementos da antena, o espaço interno em antenas integradas multibanda é extremamente limitado.
• Ponto fraco da engenharia:Um dos principais problemas de engenharia dos circuitos de banda baixa é a sua elevada sensibilidade a objectos metálicos próximos. Isto deve-se ao facto de terem uma grande largura de banda fraccionada, o que leva frequentemente a flutuações na perda de retorno.

Banda média e alta (Sub-6GHz: 1,7GHz - 6,0GHz): O núcleo da capacidade 5G

• Desempenho: Suportando portadoras de 100 MHz, esta é a “banda dourada” para a tecnologia Massive MIMO.
• Caraterísticas de design: Os elementos são reduzidos à escala centimétrica (aprox. 4cm-8cm), o que permite a integração de conjuntos em grande escala.
• Ponto fraco da engenharia: Os elementos são normalmente espaçados entre 0,5 e 0,7 lambda. Com esta densidade, o coeficiente de acoplamento pode ser tão elevado como -15dB, limitando diretamente a precisão da formação de feixes 3D.

Bandas de micro-ondas (6GHz - 80GHz): A Divisão Quasi-Ótica

Quando a frequência ultrapassa o limiar dos 6GHz, as ondas electromagnéticas comportam-se como a luz:

• Transmissão em linha de vista (LoS): A capacidade de difração é quase nula. Qualquer obstrução física (árvores, sinalização) pode causar uma queda imediata da ligação.
• Concentração de energia:As antenas concentram a energia através de parabólico de alto ganho Os modelos de sistemas de transmissão de dados são muito mais eficientes, atingindo frequentemente ganhos de 35 dBi ou mais, e larguras de feixe estreitas, normalmente entre 1 e 3 graus. Isto requer estruturas mecânicas muito estáveis, porque mesmo um pequeno movimento de 1 grau pode reduzir significativamente o sinal.

2. principais vias técnicas para reduzir as interferências

São necessários três níveis de desacoplamento para evitar que as fontes de micro-ondas de alta potência danifiquem os receptores sensíveis de sub-6GHz:

Desacoplamento da camada física: Análise do modo caraterístico (CMA)

Partes da banda baixa de antenas integradas multibanda funcionam frequentemente como “radiadores parasitas” para sinais de alta frequência.

• A lógica: Os engenheiros utilizam a CMA para encontrar o caminho das correntes induzidas no radome.
• A solução: Os engenheiros utilizam Linhas de Neutralização para criar um caminho de acoplamento indutivo ou capacitivo específico que envia uma corrente de compensação com a fase oposta. Isto pode melhorar o isolamento, passando de -15dB para menos de -30dB, sem afastar os objectos.

Desacoplamento espacial: Estruturas com Bandgap Eletromagnético (EBG)

Na coexistência de alta potência, a condução de ondas de superfície ao longo do refletor metálico é uma das principais formas de interferência entre sinais de diferentes bandas.

• Princípio: As estruturas EBG que se parecem com “cogumelos” ou “espirais” são gravadas na placa reflectora de vez em quando.
• Efeito: As estruturas EBG criam um "Bandgap" fotónico que impede as ondas de superfície. Isto funciona muito bem para impedir que a interferência de 3,5 GHz chegue aos receptores de 2,1 GHz sem alterar o padrão de radiação principal.

Mitigação não linear: Controlo do PIM microscópico

Quando a potência é elevada (43dBm ou superior), mesmo pequenos contactos não lineares podem causar Distorção de Intermodulação (PIM).

• Ciência dos materiais: Não é possível utilizar materiais ferromagnéticos como o níquel e o aço. É necessário utilizar um metal triplo (Suco-plate) ou um revestimento de prata.
• Gestão térmica: Os conectores aquecem quando recebem muita energia. A expansão térmica altera a pressão nos contactos, o que faz com que o PIM “trema”. Os projectos profissionais utilizam contactos de bronze fosforoso de alta elasticidade para manter o PIM estável abaixo de -160dBc e manter a pressão constante de -40°C a +85°C.

3.Aplicações práticas: Co-localização de macro-sites 5G e backhaul de micro-ondas

Quando o micro-ondas de 15GHz ou 23GHz antenas parabólicas sejam instaladas juntamente com unidades AAU 5G na mesma plataforma, algumas considerações são fundamentais:

• Otimização da supressão do lóbulo lateral (RPE) : As antenas de micro-ondas têm de cumprir as normas ETSI Classe 3 ou Classe 4 relativas à otimização da supressão de lóbulos laterais (RPE). Isto é crucial porque o desempenho melhorado do envelope do padrão de radiação (RPE) garante que a energia micro-ondas de alta potência não entra inadvertidamente nos lóbulos laterais de receção da antena 5G.
• Isolamento espacial vertical : A separação vertical de dois metros oferece, comprovadamente, um isolamento significativamente mais eficaz do que uma separação horizontal de cinco metros, como sugerem os dados empíricos. Esta vantagem decorre do estreito perfil de ganho vertical inerente às antenas das estações de base.
• Diversidade de polarização : Conseguida através da utilização de polarização vertical para ligações de micro-ondas e polarização ortogonal de +/- 45 graus em sistemas 5G, proporciona um isolamento físico adicional de 20-30 dB. Isto deve-se à perda de polarização.

Observações finais

O desafio de reduzir a interferência entre fontes de micro-ondas de alta potência e sistemas multibanda exige competências de engenharia consideráveis, nomeadamente em teoria electromagnética, ciência dos materiais e fabrico preciso. À medida que o paradigma 6G avança para frequências Terahertz (THz), espera-se que a integração e a atividade das antenas aumentem. Os principais fabricantes continuam a dar prioridade à simulação electromagnética avançada e à fabrico de baixo PIM métodos para estabelecer bases de comunicação estáveis e de elevada linearidade para infra-estruturas globais.