RF filtrai vienu metu palaiko Starlink ir 5G tinklo veikimą

Šiuolaikinis belaidis pasaulis statomas vienu metu dviem kryptimis. Žemėje 5G tinklai padidina talpą naudodami platesnius kanalų juostos plotius, tankesnį bazių stočių išdėstymą, masinį MIMO ir aukštesnių dažnių spektrą. Žemės paviršiuje – žemos orbitos (LEO) palydovų grupės, tokios kaip Starlink, plėtoja plačiajuosčio ryšio galimybes per didelius atstumus ir sunkiai pasiekiamose vietose.

Architektūros skirtingos, tačiau abi remiasi tuo pačiu pagrindiniu RF inžinerijos principu: efektyviai perduoti norimą signalą ir vienu metu atmesti viską, kas gali jį pabloginti.

Todėl RF filtrai išlieka pagrindiniai tiek palydovinėms, tiek žemės bevielėms sistemoms. Jie nekuria juostos pločio, bet nustato, kiek veiksmingai radijo prietaisas gali naudoti jam prieinamą juostos plotį. Tinkamai suprojektuotas filtras riboja išorinę juostos energiją, slopina harmonikas ir netikėtus atsakus, apsaugo jautrius imtuvo etapus nuo stiprių šalia esančių signalų ir padeda skirtingoms siuntimo bei priėmimo keliams bendrauti viename vis labiau kompaktiškame RF priekiniame bloke.

Kodėl Starlink ir 5G abiem reikia geresnio dažnių atrankos

Starlink yra naudingas pavyzdys, kaip palydovinė plačiajuosčių paslaugų technologija juda link didesnio pajėgumo ir sudėtingesnio spektro naudojimo. 2026 m. sausio mėn. JAV Federalinė ryšių komisija (FCC) leido SpaceX eksploatuoti papildomus antrųjų kartų Starlink palydovus ir nurodė, kad sistema gali veikti Ku-, Ka-, V-, E- ir W-dažnių juostose.

Tai reiškia ne tai, kad viena filtraus technologija apima visus Starlink dažnių juostas. Vietoj to tai iliustruoja dažnių valdymo iššūkių įvairovę kitos kartos palydovinėse tinkluose. Aiškumo dėlei šioje diskusijoje aptariama RF inžinerijos taikymo sritis, o ne teigiama, kad RSWave tiesiogiai tiekia komponentus SpaceX arba Starlink.

Palydovinės ryšio jungties grandinėje gali būti keletas filtravimo etapų. Filtrai gali būti įmontuoti prieš žemo triukšmo stiprintuvus, kad būtų sumažinta nepageidaujama RF energija, po galios stiprintuvo etapų, kad būtų kontroliuojami harmoniniai signalai ir išorės juostos emisijos, bei dažnių konvertavimo grandinėse, kad būtų izoliuotos pageidaujamos tarpinės ar mikrobangų juostos.

Vartų įrangos ir palydovinės naudotojo galinės radijo dažnio įrangos atveju žemas įterpimo nuostolis yra ypač svarbus, nes kiekvienas dešimtasis decibelio dalis sunaudoja brangų ryšio biudžetą. Galingas išorės juostos atmetimas taip pat yra vienodai svarbus, nes galingi nepageidaujami signalai gali sumažinti imtuvo jautrumą net tada, kai tie signalai yra už numatyto kanalo.

5G susiduria su susijusia problema visiškai kitokioje veikimo aplinkoje. 3GPP specifikacijose įtraukta NR veikla iki 7,125 GHz, taip pat FR2 juostos, pvz., n258 (24,25–27,5 GHz) ir n257 (26,5–29,5 GHz). Todėl baziniai stotys, signalo stiprintuvai, radijo vienetai ir platinama belaidė įranga turi veikti vis labiau užpildytoje spektro srityje, tuo pat metu laikantis išmetamųjų signalų, imtuvo našumo ir kartu veikiančios įrangos reikalavimų.

Todėl nuolat auga paklausa po RF komponentų, kurie derina žemą nuostolį, tinkamą galią tvarkyti, staigų atmetimą, stabilų dažnio atsaką ir kompaktiškus matmenis.

Skirtingos filtravimo technologijos skirtingoms RF grandinės dalims

Nė viena filtro struktūra nėra optimali kiekvienai dažnių, juostos pločio, galios lygio, atmetimo reikalavimų ir mechaninio apvalkalo reikšmei. Praktinė pranašumo platių RF komponentų asortimento yra galimybė pasirinkti struktūrą, kuri geriausiai tinka tikrai sistemai.

Jiaxing Ruishang Electronic Technology Co., Ltd. (RSWave) nuo 2015 m. dirba mikrobangų keraminės komponentų tyrimų ir plėtojimo, gamybos bei pardavimo srityje. Į jos asortimentą įeina mikrobangų dielektrinės keraminės filtrai, keraminiai duplikatoriai, RF LC filtrai, ertminiai filtrai, keraminės antenos ir GNSS antenos. Įmonė teigia, kad jos platesnis produktų asortimentas apima dažnius nuo DC iki 30 GHz, o taip pat galima pritaikyti pagal konkrečių taikymų reikalavimus.

Microbangos dielektrinės keraminės filtrų šeima ypač aktualu kompaktiškoms 5G ir belaidžių priekinėms sistemoms. RSWave nurodo šios produkto šeimos dažnių diapazoną nuo 400 MHz iki 7 GHz. Aukštos dielektrinės skvarbos keraminės medžiagos leidžia sukurti fiziškai mažesnius rezonatoriums, o žemo nuostolio ir temperatūriškai stabilios medžiagos padeda išlaikyti numatytas RF charakteristikas. RSWave tarp šių filtrų taikymo sričių išvardija 5G/5G-A bazines stočias, palydovinį ryšį, radarus, T/R modulius, „Wi-Fi“ įrangą ir stiprintuvus.

Ši kombinacija yra patraukli RF įrangai, kurioje ribotas PCB plotas, tačiau dažnių selektyvumas negali būti paaukotas.

RSWave taip pat siūlo mikrobangų dielektrinius keramikinius dvigubuosius filtrus, veikiančius dažnių ruože nuo 400 MHz iki 6 GHz. Dvigubasis filtras sujungia dažnių pasirinkimo pagrindu veikiančius siuntimo ir priėmimo kelių grandynus, todėl skirtingi signalų keliai gali bendrinti vieną anteną, išlaikydami būtiną izoliaciją. Tinklo įrangai, kuriai taikomos griežtos dydžio ribos, filtravimo ir signalų maršrutizavimo funkcijų integravimas gali supaprastinti visą RF priekinės dalies architektūrą.

Nuo 5G FR1 iki mikrobangų palydovinių ryšių

Plačiau apimant dažnių ruožus, aukštesniems galios lygmenims ar reikalaujant griežtesnių stabdymo juostos charakteristikų, LC filtrai ir ertminiai filtrai suteikia kitą inžinerinį sprendimą.

RSWave RF LC filtrų ir ertminių filtrų produktų šeima nurodyta nuo nuolatinės srovės iki 30 GHz ir gali būti suprojektuota kaip žemosios, aukštosios, juostos arba stabdymo juostos filtrai. Įmonės produkto puslapio paskelbti pavyzdžiai apima centrinius dažnius apie 2,6 GHz, 3,5 GHz, 3,8 GHz ir 4,5 GHz, tačiau kitus dažnius galima pritaikyti pagal sistemos reikalavimus.

Šios dažnių sritys ypač svarbios šiuolaikinei belaidžiai infrastruktūrai. Kartu portfelis, apimantis mikrobangų dažnius, sukuria galimybių pasirinktiniams palydovų ryšių, mikrobangų ryšio linijoms, radarui ir aukštųjų dažnių RF taikymams.

Dėžutės filtrai ypač naudingi ten, kur svarbiausia maža įterpimo nuostoliai, aukštas Q faktorius, stiprus išorės juostos atmetimas ir RF galios gebėjimas, o ne minimalus fizinis dydis. Atidžiai suprojektuotos rezonansinės dėžutės gali užtikrinti reikiamą atranką bazinėse stotyse, palydovų žemės įrangoje, mikrobangų ryšio linijose ir kitose našumo jautrio RF sistemose. RSWave konkrečiai nurodo mobiliuosius ryšio bazines stotis ir palydovų ryšius kaip taikymus savo dėžutės filtro technologijai.

Ten, kur susitinka LEO palydovų ir 5G sistemų reikalavimai

Nors Starlink šaltinio įrenginys ir 5G radijo vienetas naudoja neidentiškas RF grandines, inžinieriai, dirbantys su abiem šių sistemų tipais, susiduria su keliais bendrais projektavimo prioritetais.

Pirmasis – trukdžių kontrolė. Priėmiklis turi priimti numatytą kanalą be perkrovos dėl artimų perdaviklių, harmonikų ar viduje generuotų netikėtų signalų. Pakankamas filtras sumažina apkrovą, tenkančią mišriams įrenginiams, stiprintuvams ir analoginio-į-skaitmeninio keitikliams toliau grandinėje.

Antrasis – įterpimo nuostoliai. Priėmiklyje per dideli nuostoliai prieš žemo triukšmo stiprintuvą gali pabloginti sistemos triukšmo charakteristikas. Perdaviklyje nereikalingi nuostoliai verčia vertingą RF galią į šilumą. Tie patys reikalavimai taikomi tiek palydovų, tiek 5G infrastruktūrai: išvengiamų nuostolių mažinimas padeda išsaugoti ryšio atsargą ir sistemos efektyvumą.

Trečioji prioritetinė sritis – šiluminė ir aplinkos stabilumas. Radijo įranga lauke gali būti veikiama didelių temperatūros svyravimų, o palydovų žemės stotys gali veikti nuolat atviromis sąlygomis. Per didelis dažnio poslinkis gali perkelti filtro atsaką už numatyto darbo kanalo ribų. Todėl mikrobangų dielektrinių keramikos technologijų taikymas tampa patrauklus, kai inžinieriai turi suderinti kompaktiškus matmenis su stabiliu elektriniu našumu.

Ketvirtoji prioritetinė sritis – integracija. Tinklo įranga toliau mažėja ir tampa funkcionaliai tankesnė. Keraminiai filtrai ir dupliksoriai gali padėti sukurti kompaktiškas montuotes, tuo tarpu ertmių konstrukcijos išlieka svarbios, kai elektrinis našumas yra svarbesnis už korpuso dydį.

Todėl sėkmingas RF projektavimas nėra susijęs su teoriniu „geriausiu filtra“ radimu. Tai reiškia, kad reikia pritaikyti topologiją, medžiagą, korpusą, sąsają, juostos plotį, slopinimą, nuostolius ir tolerancijas visai RF signalų grandinei.

Kaip RSWave įeina į RF priekinės grandinės kūrimą

RF inžinieriams ir komponentų pirkėjams katalogo specifikacijos yra tik pradinis taškas.

Realūse projektuose dažnai reikia konkrečios centrinės dažnio reikšmės, juostos pločio, įterpimo nuostolių ribos, atskyrimo charakteristikos, VSWR, jungtukų konfigūracijos, plokštumos išdėstymo (footprint), galios lygio ar aplinkos sąlygų. RSWave teigia, kad jos LC filtrai, ertminiai filtrai, mikrobangų dielektriniai keraminiai filtrai bei dupliatoriai gali būti pritaikyti pagal užsakymą, o tai palaikoma modeliavimo ir gaminių projektavimo galimybėmis.

Tai svarbu, nes naudingiausias RF filtras nėra tiesiog komponentas su aukščiausiu reklaminiam skelbimui pateikiamu atskyrimo rodikliu.

Sėkmingas projektavimas privalo atsižvelgti į visą sistemą: pageidaujamą signalo juostos plotį, kaimyninius trikdžius, siųstuvo išėjimo galią, priėmėjo jautrumą, impedanso pritaikymą, spausdintinės plokštės ar mechaninius apribojimus, darbinę temperatūrą ir gamybos pakartojamumą. Todėl ankstyva techninė komunikacija tarp RF sistemos projektuotojo ir filtrų gamintojo gali sumažinti perprojektavimo riziką vėlesniame projekto etape.

5G įrangai, veikiančiai žemiau 7 GHz, RSWave mikrobangų dielektrinių keramikinių filtrų asortimentas dengia daug svarbių mobiliųjų ryšių ir privačių tinklų dažnių sričių. Platesnis LC ir ertminis filtrų asortimentas siekia iki 30 GHz, apima žemesnę 5G FR2 dalį bei mikrobangų spektrą, susijusį su palydoviniais ryšiais ir kitomis aukšto dažnio sistemomis.

Šis spektro dengimas daro šį asortimentą aktualų inžinieriams, kurie kuria žemės nešiojamą belaidžių ryšių infrastruktūrą, mikrobangų ryšio jungtis ir pasirinktus palydovų–žemės RF sub sistemas.

Filtras yra tylus susisiekiamosios infrastruktūros pajudėjimo veiksnys

Vartotojai patiria Starlink ir 5G per greitį, dengiamumą ir uždelstumą. RF inžinieriai mato daug sudėtingesnę vaizdą: kiekvienas naudingas belaidis ryšys susidaro dėl antenų, stiprintuvų, osciliatorių, maišytuvų, keitiklių, dvigubojo ryšio įrenginių ir pasyvių komponentų, veikiančių kartu glaudžiai kontroliuojamoje spektrinėje aplinkoje.

RF filtrai yra vieni mažiausiai matomų šioje grandinėje komponentų, tačiau jų vaidmuo yra pagrindinis.

Kai 5G tinklai prideda talpos, o žemės orbitos palydovų (LEO) sistemos plečia spektro naudojimą, tikslaus dažnio parinkimo, žemo įterpimo nuostolio, aukštos izoliacijos, trikdžių slopinimo ir stabilios veiklos poreikis tampa reikalaujamiau – ne mažiau.

Naudojant mikrobangų dielektrinius keramikos filtrus, keramikos duplexerius, LC filtrus ir ertmių filtrus, kurie apima taikymus nuo sub-GHz dažnių iki mikrobangų srities, RSWave siūlo kelis techninius sprendimus RF priekinės grandinės projektuotojams. Pagrindinis principas – taikomasis inžinerinis projektavimas: pasirinkite tinkamą filtro architektūrą, tada optimizuokite ją pagal faktinį darbinį dažnių diapazoną, trukdžių aplinką, galios reikalavimus, korpuso dydį ir sistemos sąsają.

Nuo žemės 5G radijo vienetų iki žemės stotelių ryšių su žemės orbitos palydovais patikima ryšio jungtis prasideda gerokai anksčiau, nei signalas pasiekia anteną.

Ji prasideda spektro valdymu – ir būtent čia gerai suprojektuota RF filtravimo technologija atskleidžia savo vertę.