¿Qué es un filtro RF de cavidad y por qué es importante?

Con el despliegue global de la LoRaWAN® En el caso de las redes LPWAN de IoT de Sigfox que operan en el espectro global sin licencia de 868 MHz y 915 MHz, han surgido muchas preguntas sobre si se requieren filtros de RF de cavidad, cuál es su propósito principal y por qué no se pueden reemplazar con otros tipos de filtros, como SAW, BAW, filtros cerámicos y otros que se montan en la PCB después del amplificador de bajo ruido (LNA).

Este breve documento aborda estas y otras preguntas en términos sencillos y ofrece respuestas prácticas sobre el tipo y las especificaciones de los filtros de cavidad de RF típicos para exteriores. Puertas de enlace LoRaWAN® Debe incorporarse para garantizar un buen o excelente rendimiento del sistema LoRaWAN® y evitar daños en su LNA de radio e incluso en el PA (que todavía son comunes hoy en día) con el paso del tiempo.

El Filtros de paso de banda se utilizan para reducir la interferencia externa Puerta de enlace LoRaWAN® Banda de operación de estaciones base 3G-5G de alta potencia de transmisión, sistemas móviles fijos y de localización, estaciones de televisión y radio, repetidores GPS y muchos otros que operan desde unos pocos MHz hasta 500 MHz de distancia.

Los filtros de RF de cavidad ayudan a:

• mejorar el rendimiento del sistema LoRaWAN® en entornos de radiofrecuencia ruidosos,
• protege el receptor LoRaWAN® y específicamente el LNA de la saturación y de fallas totales (quemaduras),
• Proteger el transmisor LoRaWAN® de la generación de productos de intermodulación cruzada.
• Reduce el efecto de las emisiones de LoRaWAN® Tx en redes celulares y de otro tipo ubicadas en el mismo lugar, lo cual está regulado por la FCC y la CE.

Es una práctica y un principio universalmente aceptado que cualquier estación base, radio o puerta de enlace exterior que opere por encima de 200 MHz debe incorporar siempre filtros de RF en la salida de su antena para las señales de recepción y transmisión.

¿Qué son los filtros RF de cavidad?

Generalmente, se trata de bloques de aluminio de mayor tamaño con pocos conectores de RF (dos si es un filtro y tres si es un dúplex que filtra las señales de transmisión y recepción y las combina en un único puerto de antena). Estos filtros tienen varios tornillos en uno o más lados de su cuerpo, como se muestra en la imagen inferior; algunos se utilizan para fijar la placa superior al chasis y otros son tornillos de ajuste.

El cuerpo de aluminio siempre está chapado (en plata, cobre o incluso oro, pero solo para aplicaciones espaciales) para reducir las pérdidas de RF y lograr el alto factor Q o la selectividad del filtro necesaria para obtener bajas pérdidas en la banda de paso del filtro y un fuerte rechazo fuera de dicha banda.

Los filtros de cavidad de RF fueron y siguen siendo la herramienta fundamental de la industria inalámbrica y se utilizan en todos los sistemas inalámbricos, desde 1G hasta 5G, así como en sistemas de comunicación privados y militares. Cubren un espectro muy amplio, desde 50 MHz hasta más de 20 GHz. A medida que aumenta la frecuencia, su tamaño se reduce debido a las longitudes de onda más cortas (la velocidad de la luz es constante y se define como el producto de la frecuencia de la señal de RF por su longitud de onda).

Figura 1: Un filtro de cavidad de RF o dúplex típico 

Los filtros de cavidad de RF tienen una amplia gama de aplicaciones prácticas, ya que su banda de paso puede variar desde menos del 0.5 % hasta el 20 % de la frecuencia de operación, aunque para la mayoría de las aplicaciones comunes la banda de paso se encuentra entre el 1 % y el 10 % de la frecuencia de operación. La mayoría, si no todos, los sistemas inalámbricos utilizan filtros de cavidad de RF entre la antena y la radio para reducir los efectos de otros sistemas inalámbricos en su receptor (limitando la banda de la señal de entrada del LNA para rechazar frecuencias bajas y altas fuera del rendimiento del sistema) y obtener el mejor rendimiento del receptor en un entorno de RF real. Además, los filtros de cavidad de RF también se utilizan en la señal de transmisión para garantizar que el ruido y las emisiones del amplificador de potencia estén limitados en banda y no afecten a otro tipo de sistema inalámbrico ni a sí mismos, ya que las señales de transmisión son mucho más fuertes que cualquier señal de recepción, entre 120 dB y 150 dB.

¿Cuáles son los principales beneficios de un filtro de cavidad de RF?

Ahora hablemos de por qué se debe usar específicamente un filtro de cavidad RF para exteriores. Puertas de enlace LoRaWAN® en lugar de otros tipos de filtros.

Los filtros de cavidad de RF ofrecen un valor indiscutiblemente alto en comparación con otros tipos de filtros:

1. pérdida de inserción muy baja, normalmente 1 dB o mucho menos
2. selectividad muy alta Típicamente de 50 dB a 100 dB (rechazo pronunciado y grande fuera de la banda de paso del filtro).
3. capacidad para manejar señales de potencia de transmisión muy alta de su sistema y otras señales de sistemas inalámbricos que aparecen en su antena o entrada de recepción. Existen muchos tipos de filtros que proporcionan alta selectividad, pero tienen una pérdida de inserción muy alta y no pueden manejar alta potencia de transmisión.

Los filtros de cavidad de RF son grandes y pesados, pero en muchos casos esto no representa un problema importante, ya que los ingenieros de diseño de radio experimentados utilizan su volumen y masa para disipar el calor generado por la radio y el amplificador de potencia, reduciendo así la necesidad de chasis más grandes y disipadores de calor costosos. Además, el filtro de cavidad de RF proporciona la mejor protección contra descargas atmosféricas (50 kVA o el doble que los pararrayos típicos) y, si se diseña correctamente, su costo se reduce considerablemente con un diseño adecuado.

En términos sencillos, el rendimiento de un filtro de cavidad de RF depende de la forma y el tamaño de la carcasa, el número de resonadores, su disposición física y el factor Q o selectividad del resonador y la cavidad. Una cavidad de mayor diámetro ofrece una mejor selectividad debido a su mayor factor Q, resultado de su mayor volumen. Los filtros de cavidad de RF se diseñan a medida según las especificaciones mecánicas y de RF exactas para garantizar que el sistema inalámbrico ofrezca un rendimiento óptimo al menor coste.

Actualmente, el diseño y el rendimiento de los filtros se simulan fácilmente antes de su fabricación mediante software propietario del proveedor. Una vez que los resultados de la simulación son satisfactorios y consensuados entre los diseñadores, se generan los archivos CAD para mecanizar la carcasa del filtro y los resonadores con mecanizado CNC de alta precisión. Una vez que el filtro mecanizado está optimizado y cumple con todas las especificaciones pertinentes, se fabrica un utillaje de acero para reducir el coste y el tiempo de producción de la carcasa del filtro y aumentar el volumen de producción.

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Figura 2: Carcasa típica de un filtro de cavidad de RF con cavidades y resonadores.

Los filtros de cavidad estándar suelen diseñarse con aluminio como metal base. Dado que la mayoría de los metales en bruto presentan pérdidas inherentes, las carcasas de los filtros se recubren de plata para mejorar sus características eléctricas y el flujo de corriente. Se utilizan resonadores de latón, cobre, aluminio o bimetálicos para minimizar la deriva de frecuencia con la temperatura. Los filtros de cavidad de RF resonantes de un cuarto de longitud de onda son los más comunes. Es importante comprender cómo las distintas especificaciones influyen en el uso práctico de las cavidades.

Al diseñar filtros de RF, deben cumplirse los mismos tres criterios principales por los que se utilizan en primer lugar (vale la pena repetirlo): 

a) pérdida de inserción mínima en toda la banda de paso del filtro,

b) Máximo rechazo o atenuación en el borde de la banda de frecuencia o en ciertas frecuencias fuera del borde de la banda.

c) Potencia máxima de transmisión y disipación de calor.

La pérdida de inserción se define como la pérdida no intencionada en la frecuencia o banda de paso deseada, mientras que el rechazo es la pérdida deseada en la frecuencia o banda no deseada. El objetivo es minimizar la pérdida de inserción en la frecuencia deseada y maximizar la atenuación o el rechazo en la frecuencia no deseada. A continuación se presenta una simulación general de un filtro de cavidad de RF de paso de banda de Chebyshev.

Figura 3: Simulación general de un filtro de cavidad de RF de paso de banda de Chebyshev

El parámetro S21 es la atenuación del filtro entre el puerto 2 y el puerto 1 del filtro (antena pobre y puerto Rx, o puerto de antena y puerto Tx), o un rechazo del filtro en todas las frecuencias que admite.

El parámetro S11, es la señal reflejada en las diferentes frecuencias que admite. Como se puede ver en la figura anterior, la pérdida de inserción del filtro, o su parámetro S21, es mínima en toda la banda de paso del filtro (cercana a cero dB, pero en realidad, está entre 0.5 dB y 1.5 dB). La potencia reflejada del filtro o S11 es 20 dB menor, o 100 veces menor, lo que significa que solo el 1 % de la potencia de la señal de RF que entra por el puerto 1 se refleja y el resto de la potencia pasa a través del filtro.

Otra observación importante es que el orden del filtro o el número de resonadores determina la pendiente de su rechazo. A medida que aumenta el número de resonadores (de N = 5, 7 y 9), el filtro se vuelve más nítido y rechaza las bandas de frecuencia coincidentes en ambos extremos con mayor rapidez.

Ahora vamos a analizar qué tipo de filtros de cavidad RF y sus especificaciones clave para exteriores Puertas de enlace LoRaWAN debe incorporarse. A diferencia de las pasarelas LoRaWAN para interiores que se despliegan lejos de cualquier antena de sistema inalámbrico de alta potencia, las pasarelas LoRaWAN® para exteriores se montan en torres de telecomunicaciones y microondas, azoteas y postes de luz, y en muchos casos, hay otros tipos de sistemas inalámbricos ya instalados o en las proximidades (a menos de 50 metros) o torres de televisión que podrían estar a 1 km de distancia. Por razones prácticas, supongamos que hay algunos sistemas 3G y 4G en 880 MHz a 894 MHz con 20 W y 40 W típicos por portadora (o 43 dBm y 46 dBm) y móviles fijos o sistemas de localización en 931 MHz con 60 W típicos por portadora (48 dBm).

Una vez establecido que los gateways IoT de LoRaWAN®, Sigfox y otras tecnologías para exteriores que operan en el espectro no licenciado de 868 MHz y 915 MHz deben incorporar filtros de cavidad de RF entre sus LNA, PA y antena, a continuación analizaremos las especificaciones clave de los filtros de cavidad de RF. Dado que la mayoría de estos parámetros se trataron en las secciones anteriores, los enumeraremos allí en forma de lista para que sirvan de referencia al considerar la adquisición o implementación de gateways LoRaWAN u otros tipos de gateways LoRaWAN.

¿Qué funciones deben soportar los filtros de cavidad de RF?

• Estructuras resonantes de alto factor Q para garantizar una baja pérdida de inserción en la banda de paso y un alto rechazo fuera de banda.
• Potencia RMS mínima de 33 dBm (2 W) y potencia pico de al menos 39 dBm (8 W) para compensar la relación pico a promedio de la señal de RF (baja para la señal LoRaWAN), hasta 3,000 m de altitud y deriva en función de la temperatura de funcionamiento.
• Pérdida de inserción típica inferior a 1 dB (2 dB en el peor de los casos) menos su banda de paso (868 MHz o 915 MHz según la implementación).
• Una mayor pérdida aumentará directamente la figura de ruido de la puerta de enlace (reduciendo su cobertura) y requerirá una mayor potencia de transmisión del amplificador de potencia para superar la pérdida de inserción.
• El puerto Rx debe proporcionar un rechazo de al menos 40 dB dentro de 5 MHz y un rechazo de 85 dB dentro de 10-15 MHz de su banda de paso para proteger al receptor de puerta de enlace de todas las señales de interferencia de alta potencia fuera de banda (celular 3G-5G, móvil fijo, buscapersonas, televisión digital, repetidor GPS y otros sistemas inalámbricos de alta potencia que podrían estar hasta a 500 MHz de distancia, ya que la mayoría de los LNA son dispositivos de banda ancha).

• Es importante tener en cuenta que diferentes regiones geográficas, países e incluso ciudades tienen múltiples sistemas inalámbricos desplegados y es importante asegurarse de que se utilicen los filtros de cavidad de RF adecuados para garantizar la mayor eficacia y el mejor rendimiento. Red LoRaWAN® operación y despliegue.
• El puerto de transmisión debe proporcionar un rechazo de al menos 30 dB dentro de 5 MHz y un rechazo de 75 dB dentro de 10-15 MHz de su banda de paso para:

• Rechaza las señales espurias y los armónicos de la transmisión de la puerta de enlace que afectan al rendimiento del receptor del sistema inalámbrico 3G-5G.
• Se eliminaron los productos de modulación cruzada (resultado de la mezcla de señales de interferencia de alta potencia fuera de banda con la señal de transmisión de la puerta de enlace, produciendo productos de intermodulación de segundo, tercer y quinto orden) que caían en la banda del receptor de la puerta de enlace y degradaban su rendimiento.
• Admite un rango de temperatura ambiente de -40 °C a +75 °C.
• Protección EST y contra rayos integrada (de 25 kVA a 50 kVA) en el puerto de antena.
• El sistema de protección contra el agua y la humedad está diseñado para garantizar que su ajuste y rendimiento no se vean afectados a lo largo de su vida útil.
• Conexión a tierra robusta y muy baja impedancia a la tierra del chasis de la puerta de enlace para eliminar cualquier sobretensión electrostática y corriente de irrupción que pueda entrar en la puerta de enlace.
• Cualquier sobretensión electrostática o corriente de irrupción debe terminarse/salir a través de la toma de tierra del filtro, de lo contrario, lo más probable es que la puerta de enlace se dañe.

Hay muchas especificaciones que se deben considerar al realizar los cálculos de nivel y bloque de RF de la puerta de enlace y derivar las especificaciones del filtro de cavidad de RF; sin embargo, las especificaciones anteriores lo acercarían mucho al filtro óptimo y garantizarían la Puerta de enlace LoRaWAN® y el rendimiento de la red aumentaría sustancialmente (se requerirían menos Gateways para cubrir la misma área geográfica, a menudo entre 2 y 5 veces menos Gateways), se garantizaría que los Gateways no fallen prematuramente, no se degradaría el rendimiento de las estaciones base 3G-5G ubicadas en el mismo lugar y se reducirían sustancialmente las visitas al sitio.

Todos estos factores también darán como resultado costos operativos y de implementación de operadores de LoRaWAN® mucho más bajos. En resumen, los filtros de cavidad de RF no solo mejoran sustancialmente el rendimiento de Puertas de enlace LoRaWAN® y las redes, asegurando que no fallen prematuramente, pero también reduciendo el costo de despliegue y el costo operativo para el operador.

Referencias:

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