Обычные линии передачи, используемые в антеннах базовых станций

Мы знаем, что для связи необходим носитель. Линии электропередачи, как незаменимый носитель для передачи информации, играют важную роль. Их основная цель — передавать высокочастотную энергию от одного конца к другому с минимальными потерями. Существует много типов линий электропередачи, таких как параллельные двойные проводники, волноводы, коаксиальные линии, микрополосковые линии, и ленточные линии.

Что касается антенны базовых станций, тремя наиболее часто используемыми линиями передачи являются коаксиальные линии, микрополосковые линии и полосковые линии. Каждая из них имеет свои преимущества и недостатки. Их правильное сочетание позволяет не только сократить расходы, но и оптимизировать сеть, тем самым повышая эффективность излучения антенны.

1. Коаксиальный кабель – наиболее широко используемая линия передачи

Коаксиальная кабельная передача состоит из отдельных проводников, обычно включающих внутренний проводник, изолирующий слой, внешний проводник и внешнюю оболочку. Внутренний проводник обычно изготавливается из меди или медного сплава, а пространство между внутренним и внешним проводниками заполняется воздухом или высокочастотным диэлектриком. Внешний проводник обычно представляет собой оплетенную медную проволоку или алюминиевую фольгу.

Многие панельные антенны установленные на башнях, по-прежнему используют коаксиальные линии в качестве основной питающей сети. С одной стороны, их структура фиксирована и легко настраивается, с другой стороны, они обеспечивают стабильную работу и высокую адаптивность к окружающей среде.

Кабели RF с префиксом “S” в обозначении обычно являются коаксиальными кабелями. В коде изоляционного материала:

• Y обозначает полиэтилен (PE)
• F представляет собой политетрафторэтилен (PTFE, F46)
• X представляет резину
• W представляет собой стабилизированный полиэтилен
• D представляет собой вспененный полиэтилен
• U представляет собой фторпластовый воздушный диэлектрик

Для материалов куртки:

• V представляет ПВХ
• Y представляет полиэтилен
• W представляет физическую пену
• D представляет собой луженую медь
• F представляет фторпласт

Импеданс Коаксиальный кабель RF зависит от диэлектрической проницаемости и диаметров внутреннего и внешнего проводников. Его можно рассчитать по формуле (1), где εᵣ — относительная диэлектрическая проницаемость, D — внутренний диаметр внешнего проводника, а d — это диаметр внутреннего проводника. В настоящее время большинство коаксиальных кабелей, используемых в антенны базовых станций имеют импеданс 35 Ом, 43 Ом, 50 Ом или 75 Ом.

С точки зрения двух отдельных проводниковых столбов и передачи поперечных электромагнитных волн, технология передачи по коаксиальному кабелю демонстрирует относительно меньшее затухание сигнала и охватывает широкий частотный диапазон, теоретически способный покрыть весь диапазон частот, что делает его превосходным выбором для передачи сигнала. В радиочастотной сигнализации он имеет более низкий коэффициент стоячей волны (VSWR), что максимально увеличивает передачу энергии сигнала к терминалу. Кроме того, его уникальные структурные характеристики делают его относительно устойчивым к индукционным помехам и подходящим для высокоскоростной связи.

В то же время, для передачи на большие расстояния коаксиальные кабели имеют более высокие потери и более высокую стоимость по сравнению с оптическими волокнами. Их меньший радиус изгиба означает, что чрезмерный изгиб или скручивание могут вызвать деформацию внутренней структуры, что приведет к отражению сигнала, его затуханию или даже прерыванию передачи. Поэтому к ним предъявляются более высокие требования к пространству для прокладки кабелей.

2. Микрополосковые линии – недорогие интегрированные линии передачи

Микрополосковая линия — это структура линии передачи, состоящая из металлической полоски-проводника, подложки из диэлектрика и заземляющей плоскости. Металлическая полоска-проводник служит путем передачи сигнала и расположена на поверхности диэлектрической подложки, а другая сторона диэлектрической подложки соединяется с заземляющей плоскостью большой площади. Для обеспечения высокоскоростной передачи сигнала к печатной плате (PCB) предъявляются определенные электрические требования. Для достижения низких потерь сигнала и низкой задержки необходимо выбрать материал подложки с подходящей диэлектрической проницаемостью и небольшим тангенсом диэлектрических потерь, а также выполнить точные расчеты размеров и обработку.

Благодаря своей миниатюрности и простоте интеграции, микрополосковая линия широко используется в высокоскоростных цифровых схемах, радиочастотных схемах и микроволновых схемах. В антенной промышленности микрополосковая технология обычно используется для изготовления излучающих элементов, делителей мощности, комбайнеров, фильтры, фазовые сдвигатели для печатных плат, соединительные платы и другие компоненты.

Характеристический импеданс микрополосковой линии зависит от ширины дорожки и диэлектрической проницаемости. Его можно регулировать, изменяя ширину микрополосковой линии, толщину подложки или диэлектрическую проницаемость материала. В конструкциях с микрополосковыми линиями более высокий характеристический импеданс и более высокую скорость передачи можно достичь за счет использования независимых слоев или многослойных технологий, которые помогают устранить магнитную связь между соседними дорожками — одно из основных преимуществ микрополосковых структур.

Поскольку диэлектрическая проницаемость подложки (εᵣ>1) отличается от диэлектрической проницаемости воздуха (εᵣ=1), линии электрического поля распределяются частично в диэлектрике, а частично в воздухе. Это приводит к появлению слабой продольной компоненты как в электрическом, так и в магнитном поле (т. е. к появлению нечистого TEM-режима). Эффективная диэлектрическая проницаемость (ε_эфф), который объединяет диэлектрические вклады как воздуха, так и подложки, определяется следующим выражением:

Характеристическое сопротивление (Z₀): определяет отражение и согласование сигнала, и существует два случая:

Когда < 1:

Когда ≥ 1

Микрополосковые линии, как распространенная плоская структура линии передачи, пользуются популярностью у специалистов в области радиочастотной техники благодаря своей низкой стоимости, простоте интеграции и компоновки, стабильному импедансу, небольшому размеру, легкому весу, высокой термостойкости и простоте отладки.

Однако они также имеют некоторые ограничения, такие как более высокие потери излучения, слабая противопомеховая способность, восприимчивость к внутренним электромагнитным перекрестным помехам и небольшая мощностная толерантность. В настоящее время, с ростом их использования, многие из этих проблем были решены. Например, меры по противодействию помехам обычно включают добавление экранирующих крышек, окружение микрополосковой линии металлической рамой или поднятие печатной платы.

3.Stripline – линия передачи с низким уровнем излучения и высокой совместимостью

Стриплайн — это высокочастотный передающий провод, расположенный между двумя параллельными заземляющими плоскостями (или плоскостями питания) и диэлектрическим материалом. Как правило, заземляющая плоскость и провод разделены изолирующей средой.

Благодаря полностью закрытой конструкции полосовых линий, их уровень излучения чрезвычайно низок. Это значительно снижает электромагнитные помехи для внешней среды, а также обеспечивает высокую устойчивость к поступающим электромагнитным помехам. По этой причине массовые сети 5G/6G MIMO антенна Системы обычно используют архитектуру полосковых линий, так как они эффективно улучшают амплитудную и фазовую согласованность.

В многослойных микрополосковых схемах печатных плат полосковые линии также используются для вертикальных межсоединений и межслойной передачи сигналов, что повышает уровень интеграции и функциональную плотность печатной платы. Кроме того, полосковые линии требуют меньшего количества этапов обработки при проектировании и изготовлении схем, что делает их более простыми в производстве и более экономичными по сравнению с микрополосковыми линиями.

Характеристический импеданс полосковой линии изменяется в зависимости от изменения ее ширины и диэлектрической проницаемости. Это изменение характеристического импеданса можно достичь путем регулировки ширины, высоты полосковой линии или расстояния между ней и заземляющей плоскостью. Характеристический импеданс (Z₀) приблизительно связана с толщиной диэлектрика b, ширина сигнала W, а диэлектрическая проницаемость εᵣ, причем приблизительная формула имеет вид:

Полосковые линии, как особая структура линии передачи, обладают такими преимуществами, как отличные характеристики электромагнитного экранирования, низкие потери излучения, широкая полоса пропускания, высокая помехоустойчивость и пригодность для многослойной интеграции печатных плат. Однако у них есть и некоторые недостатки, в основном включающие сложные процессы производства, высокую чувствительность к импедансу, ограниченные высокочастотные характеристики, низкую гибкость интеграции и сложность отладки.