Was ist ein Hohlraum-HF-Filter und warum ist er wichtig?

Mit dem weltweiten Einsatz von LoRaWAN® Bei Sigfox IoT LPWAN-Netzwerken, die im globalen lizenzfreien Spektrum von 868 MHz und 915 MHz arbeiten, gibt es viele Fragen, ob Hohlraum-HF-Filter erforderlich sind, was ihr Hauptzweck ist und warum sie nicht durch andere Filtertypen wie SAW-, BAW-, Keramikfilter und andere ersetzt werden können, die nach dem rauscharmen Verstärker (LNA) auf der Leiterplatte montiert sind.

Diese kurze Abhandlung behandelt diese und weitere Fragen in einfacher Sprache und gibt praktische Antworten zu Typ und Spezifikationen typischer HF-Hohlraumfilter für den Außenbereich. LoRaWAN®-Gateways um eine gute bis hervorragende Leistung des LoRaWAN®-Systems zu gewährleisten und Schäden am Radio-LNA und sogar am PA (die auch heute noch üblich sind) im Laufe der Zeit zu vermeiden.

Das Bandpassfilter werden verwendet, um die Störungen außerhalb des LoRaWAN® Gateway Betriebsfrequenzband von 3G- und 5G-Basisstationen mit hoher Sendeleistung, Festnetz- und Mobilfunksystemen, Paging-Systemen, Fernseh- und Radiosendern, GPS-Repeatern und vielen anderen, die in einer Entfernung von wenigen MHz bis zu 500 MHz arbeiten.

Hohlraum-HF-Filter helfen dabei:

• Verbesserung der LoRaWAN®-Systemleistung in störungsanfälligen HF-Umgebungen
• schützt den LoRaWAN®-Empfänger und insbesondere den LNA vor Sättigung und Totalausfällen (Durchbrennen).
• Schutz des LoRaWAN®-Senders vor der Erzeugung von Kreuzintermodulationsprodukten
• reduziert die Auswirkungen von LoRaWAN® Tx-Emissionen auf benachbarte Mobilfunknetze und andere Netztypen, die von der FCC und CE reguliert werden.

Es ist allgemein anerkannt und üblich, dass jede im Freien betriebene Basisstation, jedes Funkgerät oder Gateway, das mit Frequenzen über 200 MHz arbeitet, stets HF-Filter am Antennenausgang für Empfangs- und Sendesignale aufweisen sollte.

Was sind Hohlraum-HF-Filter?

Im Allgemeinen handelt es sich um größere Aluminiumblöcke mit wenigen HF-Anschlüssen (zwei bei Filtern und drei bei Duplexern, die Sende- und Empfangssignale filtern und zu einem einzigen Antennenanschluss zusammenführen). Diese Filter weisen, wie in der Abbildung unten dargestellt, an einer oder mehreren Seiten ihres Gehäuses zahlreiche Schrauben auf – einige dienen der Befestigung der Deckplatte am Chassis, andere sind Einstellschrauben.

Das Aluminiumgehäuse wird stets beschichtet (mit Silber, Kupfer oder, aber nur für Weltraumanwendungen, mit Gold), um die HF-Verluste zu reduzieren und die hohe Güte bzw. Filterselektivität zu erreichen, die erforderlich ist, um geringe Verluste im Durchlassbereich des Filters und eine steile Dämpfung außerhalb des Durchlassbereichs zu erzielen.

HF-Hohlraumfilter waren und sind nach wie vor die Arbeitspferde der drahtlosen Kommunikation und werden in allen drahtlosen Systemen von 1G bis 5G sowie in privaten und militärischen Kommunikationssystemen eingesetzt. Sie decken ein sehr breites Frequenzspektrum von 50 MHz bis über 20 GHz ab. Mit steigender Frequenz verringert sich ihre Größe aufgrund der kürzeren Wellenlängen (die Lichtgeschwindigkeit ist konstant und definiert als das Produkt aus HF-Signalfrequenz und Wellenlänge).

Abbildung 1: Ein typischer HF-Hohlraumfilter oder Duplexer 

HF-Hohlraumfilter finden vielfältige praktische Anwendung, da ihr Durchlassbereich von unter 0.5 % bis zu 20 % der Betriebsfrequenz variieren kann. In den meisten Fällen liegt er jedoch zwischen 1 % und 10 % der Betriebsfrequenz. Fast alle drahtlosen Systeme verwenden HF-Hohlraumfilter zwischen Antenne und Funkgerät, um die Auswirkungen anderer drahtloser Systeme auf den Empfänger zu reduzieren (Bandbegrenzung des LNA-Eingangssignals zur Unterdrückung von Frequenzen außerhalb des zulässigen Bereichs) und so die bestmögliche Empfängerleistung in realen HF-Umgebungen zu erzielen. Darüber hinaus werden HF-Hohlraumfilter auch für das Sendesignal (Tx) eingesetzt, um sicherzustellen, dass das Rauschen und die Emissionen des Leistungsverstärkers bandbegrenzt sind und weder andere drahtlose Systeme noch sich selbst beeinträchtigen, da Sendesignale um 120 dB bis 150 dB stärker sind als Empfangssignale.

Was sind die Hauptvorteile von HF-Hohlraumfiltern?

Nun wollen wir darüber sprechen, warum speziell HF-Hohlraumfilter für den Außenbereich verwendet werden sollten. LoRaWAN®-Gateways anstelle anderer Filtertypen.

Der unbestrittene hohe Wert von HF-Hohlraumfiltern im Vergleich zu anderen Filtertypen:

1. sehr geringe Einfügungsdämpfungtypischerweise 1 dB oder deutlich weniger
2. sehr hohe Selektivität typischerweise 50 dB bis 100 dB (steile und starke Dämpfung außerhalb des Filterdurchlassbereichs)
3. Fähigkeit zur Verarbeitung von sehr hohen Sendeleistungssignalen Es gibt viele Filtertypen, die eine hohe Selektivität bieten, jedoch eine sehr hohe Einfügungsdämpfung aufweisen und keine hohen Sendeleistungen verarbeiten können.

HF-Hohlraumfilter sind groß und schwer, doch in vielen Fällen stellt dies kein großes Problem dar, da erfahrene Funkentwickler ihr Volumen und ihre Masse zur Wärmeableitung von Funkgerät und Leistungsverstärker nutzen. Dadurch wird der Bedarf an größeren Gehäusen und teuren Kühlkörpern reduziert. Darüber hinaus bieten HF-Hohlraumfilter optimalen Schutz vor Blitzeinschlägen (50 kVA, das Doppelte typischer Blitzableiter) und sind bei korrekter Auslegung quasi inklusive.

Die Leistungsfähigkeit von HF-Hohlraumfiltern hängt vereinfacht gesagt von der Form und Größe des Hohlraumgehäuses, der Anzahl und Anordnung der Resonatoren sowie der Güte (Q) bzw. Selektivität von Resonator und Hohlraum ab. Ein Hohlraum mit größerem Durchmesser bietet aufgrund der höheren Güte, die sich aus dem größeren Volumen ergibt, eine bessere Selektivität. Die HF-Hohlraumfilter werden kundenspezifisch nach exakten HF- und mechanischen Spezifikationen gefertigt, um optimale Leistung bei minimalen Kosten für das drahtlose System zu gewährleisten.

Heutzutage lassen sich Filterdesign und -leistung mithilfe herstellereigener Software problemlos simulieren, bevor die Fertigung beginnt. Sobald die Simulationsergebnisse zufriedenstellend sind und von den Entwicklern bestätigt wurden, werden die CAD-Dateien für die hochpräzise CNC-Bearbeitung des Filtergehäuses und der Resonatoren erstellt. Nachdem der Filter leistungsoptimiert ist und alle relevanten Spezifikationen erfüllt, wird ein Stahlwerkzeug gefertigt, um die Kosten und die Produktionszeit des Filtergehäuses zu reduzieren und das Produktionsvolumen zu erhöhen.

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Abbildung 2: Ein typisches HF-Hohlraumfiltergehäuse mit Hohlräumen und Resonatoren

Standard-Hohlraumfilter werden üblicherweise mit Aluminium als Basismetall gefertigt. Da die meisten Rohmetalle naturgemäß Verluste aufweisen, werden die Filtergehäuse versilbert, um die elektrischen Eigenschaften und den Stromfluss zu verbessern. Resonatoren aus Messing, Kupfer, Aluminium oder Bimetall werden verwendet, um die Frequenzdrift über die Temperatur zu minimieren. Viertelwellen-Resonanz-HF-Hohlraumfilter sind am weitesten verbreitet. Es ist wichtig zu verstehen, wie sich die verschiedenen Spezifikationen auf die praktische Anwendung der Hohlräume auswirken.

Bei der Entwicklung von HF-Filtern müssen dieselben drei Hauptkriterien erfüllt sein, die überhaupt erst zu ihrer Verwendung geführt haben (es lohnt sich, dies zu wiederholen): 

a) minimale Einfügungsdämpfung im gesamten Durchlassbereich des Filters,

b) Maximale Unterdrückung oder Dämpfung am Frequenzbandrand oder bei bestimmten Frequenzen außerhalb des Bandrandes

c) maximale Sendeleistung und Wärmeabgabe.

Der Begriff Einfügungsdämpfung bezeichnet die unbeabsichtigte Dämpfung im gewünschten Durchlassbereich, während die Dämpfung die gewünschte Dämpfung im unerwünschten Bereich beschreibt. Ziel ist es, die Einfügungsdämpfung im gewünschten Bereich zu minimieren und die Dämpfung im unerwünschten Bereich zu maximieren. Eine allgemeine Simulation eines Chebyshev-Bandpass-HF-Hohlraumfilters ist unten dargestellt.

Abbildung 3: Eine allgemeine Simulation eines Chebyshev-Bandpass-HF-Hohlraumfilters

Der S21-Parameter ist die Filterdämpfung zwischen dem Filteranschluss 2 und 1 (Antennenanschluss und Empfangsanschluss bzw. Antennenanschluss und Sendeanschluss) oder eine Filterunterdrückung über die von ihm unterstützten Frequenzen.

Der S11-Parameter, Das reflektierte Signal wird über die verschiedenen unterstützten Frequenzen übertragen. Wie aus der obigen Abbildung ersichtlich, ist die Einfügungsdämpfung des Filters (S21-Parameter) im gesamten Durchlassbereich minimal (nahezu 0 dB, tatsächlich jedoch zwischen 0.5 dB und 1.5 dB). Die reflektierte Leistung des Filters (S11) ist um 20 dB reduziert, also um den Faktor 100. Das bedeutet, dass nur 1 % der in Port 1 einfallenden HF-Signalleistung reflektiert wird, während der Rest den Filter passiert.

Eine weitere wichtige Beobachtung ist, dass die Filterordnung bzw. die Anzahl der Resonatoren die Steilheit der Filterflankensteilheit bestimmt. Mit zunehmender Anzahl der Resonatoren (N = 5, 7 und 9) wird der Filter steiler und unterdrückt die zusammenfallenden Frequenzbänder an beiden Enden deutlich schneller.

Lassen Sie uns nun die verschiedenen Arten von HF-Hohlraumfiltern und ihre wichtigsten Spezifikationen für den Außenbereich besprechen. LoRaWAN-Gateways Im Gegensatz zu den LoRaWAN-Gateways für den Innenbereich, die weit entfernt von Antennen leistungsstarker Funksysteme eingesetzt werden, werden die LoRaWAN®-Gateways für den Außenbereich auf Telekommunikations- und Mikrowellentürmen, Dächern und Lichtmasten montiert. Oftmals sind bereits andere Funksysteme vorhanden oder in unmittelbarer Nähe (weniger als 50 Meter) installiert, oder es befinden sich Fernsehtürme in bis zu einem Kilometer Entfernung. Nehmen wir der Einfachheit halber an, dass es 3G- und 4G-Systeme im Frequenzbereich von 880 MHz bis 894 MHz mit typischen 20 W bzw. 40 W pro Träger (oder 43 dBm bzw. 46 dBm) sowie Festnetz- und Mobilfunksysteme oder Paging-Systeme im Frequenzbereich von 931 MHz mit typischen 60 W pro Träger (48 dBm) gibt.

Nachdem wir festgestellt haben, dass Outdoor-LoRaWAN®-, Sigfox- und andere IoT-Gateways, die im lizenzfreien Frequenzspektrum von 868 MHz und 915 MHz arbeiten, HF-Hohlraumfilter zwischen ihren LNAs, PAs und Antenne benötigen, gehen wir nun auf die wichtigsten Spezifikationen dieser Hohlraumfilter ein. Da die meisten dieser Parameter bereits in den vorherigen Abschnitten besprochen wurden, fassen wir sie dort zur besseren Übersichtlichkeit für die Anschaffung oder den Einsatz von LoRaWAN- oder anderen LoRaWAN-Gateways zusammen.

Was sollten die HF-Hohlraumfilter unterstützen?

• Hoch-Q-Resonanzstrukturen gewährleisten geringe Einfügungsdämpfung im Durchlassbereich und hohe Sperrdämpfung außerhalb des Durchlassbereichs.
• Mindestens 33 dBm (2 W) RMS-Leistung und mindestens 39 dBm (8 W) Spitzenleistung zum Ausgleich des Verhältnisses von HF-Signalspitze zu Durchschnittswert (niedrig für LoRaWAN-Signale), bis zu einer Höhe von 3,000 m und Drift über den gesamten Betriebstemperaturbereich.
• Typischerweise weniger als 1 dB (im schlimmsten Fall 2 dB) Einfügungsdämpfung abzüglich des Durchlassbereichs (868 MHz oder 915 MHz, je nach Einsatzgebiet).
• Die höheren Verluste erhöhen direkt das Rauschmaß des Gateways (und verringern so dessen Reichweite) und erfordern eine höhere Sendeleistung des PA, um die Einfügungsdämpfung zu überwinden.
• Der Rx-Port sollte eine Unterdrückung von mindestens 40 dB innerhalb von 5 MHz und 85 dB innerhalb von 10-15 MHz seines Durchlassbereichs bieten, um den Gateway-Empfänger vor allen außerbandigen Hochleistungs-Interferenzen (3G-5G-Mobilfunk, Festnetz-Mobilfunk, Paging, Digitalfernsehen, GPS-Repeater und andere drahtlose Hochleistungssysteme, die bis zu 500 MHz entfernt sein können, da die meisten LNA Breitbandgeräte sind) zu schützen.

• Es ist wichtig zu beachten, dass in verschiedenen geografischen Regionen, Ländern und sogar Städten mehrere drahtlose Systeme im Einsatz sind. Daher ist es wichtig, die richtigen HF-Hohlraumfilter zu verwenden, um eine optimale und effektive Nutzung zu gewährleisten. LoRaWAN®-Netzwerk Betrieb und Einsatz.
• Der Sendeanschluss sollte innerhalb von 5 MHz eine Dämpfung von mindestens 30 dB und innerhalb von 10-15 MHz seines Durchlassbereichs eine Dämpfung von 75 dB aufweisen:

• Unterdrückt Störsignale und Oberwellen des Gateway-Sendenetzes, die die Leistung des Empfängers im 3G/5G-Funksystem beeinträchtigen.
• Eliminierte Kreuzmodulationsprodukte (das Ergebnis von Störsignalen hoher Leistung außerhalb des Bandes, die sich mit dem Gateway-Sendesignal vermischen und Intermodulationsprodukte 2., 3. und 5. Ordnung erzeugen), die in das Gateway-Empfängerband fallen und dessen Leistung beeinträchtigen.
• Unterstützt einen Umgebungstemperaturbereich von -40 °C bis +75 °C.
• Eingebauter EST- und Blitzschutz (25 kVA bis 50 kVA) am Antennenanschluss.
• Wasser und Luftfeuchtigkeit werden streng kontrolliert, um sicherzustellen, dass die Abstimmung und Leistung während der gesamten Lebensdauer nicht beeinträchtigt werden.
• Robuste Erdungsverbindung und sehr niedrige Impedanz zur Gateway-Gehäuseerdung, um zu verhindern, dass ESD-Überspannungen und Einschaltströme in das Gateway gelangen.
• Jegliche ESD-Überspannung oder Einschaltströme müssen über die Filtererdung abgeleitet werden, da sonst das Gateway höchstwahrscheinlich beschädigt wird.

Bei der Durchführung der Gateway-HF-Block- und Pegelberechnungen und der Ableitung der HF-Hohlraumfilterspezifikationen sind viele Spezifikationen zu berücksichtigen. Die oben genannten Spezifikationen führen jedoch zu einem sehr nahe am optimalen Filter und gewährleisten die LoRaWAN®-Gateway und die Netzwerkleistung würde sich erheblich steigern (es werden weniger Gateways benötigt, um das gleiche geografische Gebiet abzudecken, oft 2- bis 5-mal weniger Gateways), es wird sichergestellt, dass die Gateways nicht vorzeitig ausfallen, die Leistung der am selben Standort befindlichen 3G-5G-Basisstationen wird nicht beeinträchtigt und die Anzahl der Vor-Ort-Besuche wird erheblich reduziert.

All diese Faktoren führen auch zu deutlich geringeren Bereitstellungs- und Betriebskosten für LoRaWAN®-Betreiber. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die HF-Hohlraumfilter nicht nur die Leistung erheblich verbessern, LoRaWAN®-Gateways und Netzwerke, um sicherzustellen, dass sie nicht vorzeitig ausfallen, sondern auch die Bereitstellungs- und Betriebskosten der Betreiber zu senken.

Referenzen: (Die Referenzliste bleibt in der wissenschaftlichen Zitierweise erhalten)

https://www.innowaverf.com/900mhz-ism_filter-anti-paging_model_501_903m_923m