Qu'est-ce qu'un filtre RF à cavité et pourquoi est-il important ?

Avec le déploiement mondial du LoRaWAN® et les réseaux LPWAN IoT Sigfox fonctionnant sur le spectre mondial sans licence de 868 MHz et 915 MHz, de nombreuses questions ont été posées quant à la nécessité des filtres RF à cavité, à leur objectif principal et aux raisons pour lesquelles ils ne peuvent pas être remplacés par d'autres types de filtres tels que les filtres SAW, BAW, céramiques et autres, montés sur le circuit imprimé après l'amplificateur à faible bruit (LNA).

Ce court document aborde ces questions et d'autres encore en termes simples et apporte des réponses pratiques sur le type et les spécifications des filtres à cavité RF typiques pour l'extérieur. Passerelles LoRaWAN® devrait intégrer pour assurer de bonnes ou d'excellentes performances du système LoRaWAN® et éviter tout dommage au LNA radio et même au PA (qui sont encore courants aujourd'hui) au fil du temps.

Le Filtres passe-bande sont utilisés pour réduire les interférences extérieures à Passerelle LoRaWAN® bande de fonctionnement des stations de base 3G-5G à haute puissance d'émission, des systèmes mobiles fixes et de radiomessagerie, des stations de télévision et de radio, des répéteurs GPS et de nombreux autres fonctionnant à une distance de quelques MHz à 500 MHz.

Les filtres RF à cavité permettent de :

• améliorer les performances du système LoRaWAN® dans un environnement RF bruyant,
• protège le récepteur LoRaWAN® et plus particulièrement le LNA contre la saturation et les pannes pures et simples (surchauffes),
• protéger l'émetteur LoRaWAN® contre la génération de produits d'intermodulation croisée
• réduit l'effet des émissions LoRaWAN® Tx sur les réseaux cellulaires colocalisés et autres types de réseaux réglementés par la FCC et la CE.

Il est universellement admis et pratiqué que toute station de base extérieure, radio ou passerelle fonctionnant au-dessus de 200 MHz doit toujours intégrer des filtres RF à la sortie de son antenne pour les signaux Rx et Tx.

Que sont les filtres RF à cavité ?

Il s'agit généralement de gros blocs d'aluminium dotés de quelques connecteurs RF (deux pour un filtre et trois pour un duplexeur qui filtre les signaux d'émission et de réception et les combine sur un seul port d'antenne). Ces filtres comportent de nombreuses vis sur un ou plusieurs côtés, comme illustré ci-dessous ; certaines servent à fixer la plaque supérieure au châssis, d'autres sont des vis de réglage.

Le corps en aluminium est toujours plaqué (argent, cuivre ou même or, mais uniquement pour les applications spatiales) afin de réduire les pertes RF et d'obtenir le Q élevé ou la sélectivité du filtre nécessaire pour obtenir de faibles pertes sur la bande passante du filtre et une forte réjection en dehors de la bande passante du filtre.

Les filtres à cavité RF ont toujours été et restent des éléments essentiels de l'industrie du sans-fil et sont utilisés dans tous les systèmes sans fil, de la 1G à la 5G, ainsi que dans les systèmes de communication privés et militaires. Ils couvrent un très large spectre, de 50 MHz à plus de 20 GHz. À mesure que la fréquence augmente, leur taille diminue en raison de la réduction de la longueur d'onde (la vitesse de la lumière étant constante, elle est définie comme le produit de la fréquence du signal RF par sa longueur d'onde).

Figure 1 : Filtre ou duplexeur à cavité RF typique 

Les filtres à cavité RF offrent un large éventail d'applications pratiques, leur bande passante pouvant varier de moins de 0.5 % à 20 % de la fréquence de fonctionnement. Toutefois, pour la plupart des applications courantes, cette bande passante se situe entre 1 % et 10 % de la fréquence de fonctionnement. La quasi-totalité des systèmes sans fil, voire tous, utilisent des filtres à cavité RF entre l'antenne et l'émetteur-récepteur afin de réduire l'influence d'autres systèmes sans fil sur leur récepteur (en limitant la bande passante du signal d'entrée de l'amplificateur à faible bruit pour rejeter les fréquences inférieures et supérieures hors de la plage de fonctionnement du système) et d'obtenir ainsi les meilleures performances de réception dans un environnement RF réel. De plus, les filtres à cavité RF sont également utilisés sur le signal d'émission (Tx) pour garantir que le bruit et les émissions de l'amplificateur de puissance (PA) soient limités en bande passante et n'affectent ni les autres systèmes sans fil ni le signal lui-même, car les signaux d'émission sont beaucoup plus puissants que les signaux de réception (de 120 dB à 150 dB).

Quels sont les principaux avantages des filtres à cavité RF ?

Parlons maintenant des raisons pour lesquelles un filtre à cavité RF spécifique devrait être utilisé en extérieur. Passerelles LoRaWAN® au lieu d'autres types de filtres.

Les filtres à cavité RF présentent une valeur incontestablement élevée, comparée à celle d'autres types de filtres :

1. très faible perte d'insertion, généralement 1 dB ou beaucoup moins
2. sélectivité très élevée typiquement de 50 dB à 100 dB (réjection abrupte et importante en dehors de la bande passante du filtre)
3. capacité à gérer des signaux de puissance d'émission très élevés de son système et des signaux d'autres systèmes sans fil apparaissant à son entrée d'antenne ou de réception. Il existe de nombreux types de filtres offrant une sélectivité élevée, mais ils présentent une perte d'insertion très importante et ne supportent pas une puissance d'émission élevée.

Les filtres à cavité RF sont volumineux et lourds, mais dans de nombreux cas, cela ne pose pas de problème majeur. En effet, les ingénieurs radio expérimentés exploitent leur volume et leur masse pour dissiper la chaleur générée par la radio et l'amplificateur de puissance, réduisant ainsi le besoin de châssis plus imposants et de dissipateurs thermiques coûteux. De plus, les filtres à cavité RF offrent une protection optimale contre la foudre (50 kVA, soit le double des parafoudres classiques) et, s'ils sont correctement conçus, ils sont inclus de série.

En termes simples, les performances d'un filtre à cavité RF dépendent de la forme et de la taille de la cavité, du nombre de résonateurs, de leur disposition et du facteur de qualité (Q) ou de la sélectivité du résonateur et de la cavité. Une cavité de plus grand diamètre offre une meilleure sélectivité grâce à un facteur Q plus élevé, dû à un volume plus important. Les filtres à cavité RF sont conçus sur mesure selon des spécifications RF et mécaniques précises afin de garantir des performances optimales au système sans fil, au moindre coût.

De nos jours, la conception et les performances des filtres sont facilement simulées avant leur fabrication grâce aux logiciels propriétaires des fournisseurs. Une fois les résultats de la simulation validés par les concepteurs, les fichiers CAO sont générés pour l'usinage de haute précision du boîtier et des résonateurs par commande numérique (CNC). Après optimisation des performances du filtre et validation de sa conformité aux spécifications, un outillage en acier est produit afin de réduire le coût et le temps de fabrication du boîtier, tout en augmentant le volume de production.

.

Figure 2 : Boîtier typique de filtre à cavité RF avec cavités et résonateurs

Les filtres à cavité standard sont généralement conçus avec l'aluminium comme métal de base. La plupart des métaux bruts étant intrinsèquement dissipatifs, les boîtiers des filtres sont argentés pour améliorer leurs caractéristiques électriques et la circulation du courant. Des résonateurs en laiton, en cuivre, en aluminium ou bimétalliques sont utilisés pour minimiser la dérive de fréquence en fonction de la température. Les filtres à cavité RF résonants quart d'onde sont les plus courants. Il est important de comprendre l'impact des différentes spécifications sur l'utilisation pratique des cavités.

Lors de la conception de filtres RF, les trois principaux critères qui justifient leur utilisation doivent être respectés (il est important de le rappeler) : 

a) perte d'insertion minimale dans la bande passante du filtre,

b) réjection ou atténuation maximale à la limite de la bande de fréquences ou à certaines fréquences en dehors de la limite de la bande

c) puissance d'émission maximale et dissipation de chaleur.

Le terme « perte d'insertion » désigne la perte non intentionnelle à la fréquence ou bande passante souhaitée, tandis que le « réjection » correspond à la perte souhaitée à la fréquence ou bande non souhaitée. L'objectif est de minimiser la perte d'insertion à la fréquence souhaitée et de maximiser l'atténuation ou la réjection à la fréquence non souhaitée. Une simulation générale d'un filtre passe-bande à cavité RF de type Chebyshev est présentée ci-dessous.

Figure 3: Simulation générale d'un filtre RF passe-bande de Chebyshev

Le paramètre S21 est l'atténuation du filtre entre le port 2 et le port 1 du filtre (port d'antenne et port Rx, ou port d'antenne et port Tx), ou une réjection du filtre sur les fréquences qu'il prend en charge.

Le paramètre S11, Le signal réfléchi est réfléchi sur différentes fréquences. Comme le montre la figure ci-dessus, l'affaiblissement d'insertion du filtre, ou paramètre S21, est minimal sur toute la bande passante (proche de 0 dB, mais en réalité compris entre 0.5 dB et 1.5 dB). La puissance réfléchie du filtre, ou S11, est réduite de 20 dB, soit 100 fois, ce qui signifie que seulement 1 % de la puissance du signal RF entrant par le port 1 est réfléchie, le reste étant transmis à travers le filtre.

Une autre observation importante est que l'ordre du filtre, ou le nombre de résonateurs, détermine la pente de la réjection. Lorsque le nombre de résonateurs augmente (N = 5, 7 et 9), le filtre devient plus sélectif et rejette beaucoup plus rapidement les bandes de fréquences adjacentes aux deux extrémités.

Abordons maintenant les différents types de filtres à cavité RF et leurs principales spécifications pour une utilisation en extérieur. Passerelles LoRaWAN L'intégration est indispensable. Contrairement aux passerelles LoRaWAN d'intérieur, déployées loin des antennes des systèmes sans fil haute puissance, les passerelles LoRaWAN® d'extérieur sont installées sur des pylônes de télécommunications et de micro-ondes, des toits et des poteaux d'éclairage. Dans de nombreux cas, d'autres types de systèmes sans fil sont déjà présents ou à proximité immédiate (moins de 50 mètres), ou encore des tours de télévision peuvent se trouver jusqu'à 1 km. Par souci de simplicité, supposons la présence de systèmes 3G et 4G fonctionnant entre 880 MHz et 894 MHz, avec une puissance typique de 20 W et 40 W par porteuse (soit 43 dBm et 46 dBm), ainsi que de systèmes de téléphonie mobile fixe ou de radiomessagerie fonctionnant à 931 MHz, avec une puissance typique de 60 W par porteuse (48 dBm).

Ayant établi que les passerelles IoT LoRaWAN® extérieures, Sigfox et autres technologies fonctionnant sur les bandes de fréquences non licenciées 868 MHz et 915 MHz doivent intégrer des filtres à cavité RF entre leurs amplificateurs à faible bruit (LNA), leurs amplificateurs de puissance (PA) et leurs antennes, nous allons maintenant aborder les spécifications clés de ces filtres. La plupart de ces paramètres ayant été traités dans les sections précédentes, nous les récapitulons ici afin de faciliter la mémorisation et la consultation lors de l'acquisition ou du déploiement de passerelles LoRaWAN ou autres types de passerelles LoRaWAN.

Que doivent supporter les filtres à cavité RF ?

• Structures résonantes à facteur Q élevé pour garantir une faible perte d'insertion dans la bande passante et une réjection hors bande élevée.
• Puissance RMS minimale de 33 dBm (2W) et puissance de crête d'au moins 39 dBm (8W) pour compenser le rapport crête/moyenne du signal RF (faible pour le signal LoRaWAN), jusqu'à 3 000 m d'altitude et la dérive sur la température de fonctionnement.
• Perte d'insertion typique inférieure à 1 dB (2 dB dans le pire des cas) moins sa bande passante (868 MHz ou 915 MHz selon le déploiement).
• Les pertes plus élevées augmenteront directement le facteur de bruit de la passerelle (réduiront sa couverture) et nécessiteront une puissance d'émission PA plus élevée pour compenser les pertes d'insertion.
• Le port Rx doit fournir une réjection d'au moins 40 dB dans les 5 MHz et de 85 dB dans les 10 à 15 MHz de sa bande passante afin de protéger le récepteur de passerelle contre tous les signaux d'interférence hors bande de haute puissance (réseaux cellulaires 3G-5G, réseaux mobiles fixes, radiomessagerie, télévision numérique, répéteurs GPS et autres systèmes sans fil de haute puissance pouvant se trouver jusqu'à 500 MHz, car la plupart des LNA sont des dispositifs à large bande).

• Il est important de noter que différentes régions géographiques, pays et même villes disposent de plusieurs systèmes sans fil déployés, et il est essentiel de veiller à utiliser les filtres à cavité RF appropriés pour garantir une efficacité optimale. Réseau LoRaWAN® opération et déploiement.
• Le port d'émission doit assurer une réjection d'au moins 30 dB dans un rayon de 5 MHz et de 75 dB dans un rayon de 10 à 15 MHz autour de sa bande passante :

• Rejette les signaux parasites et les harmoniques de la passerelle Tx qui affectent les performances du récepteur du système sans fil 3G-5G.
• Élimination des produits de modulation croisée (résultat du mélange de signaux d'interférence de forte puissance hors bande avec le signal Tx de la passerelle et de la production de produits d'intermodulation de 2e, 3e et 5e ordre) tombant dans la bande du récepteur de la passerelle et dégradant ses performances.
• Prise en charge d'une plage de températures ambiantes de -40 °C à +75 °C.
• Protection intégrée contre les surtensions et la foudre (25 kVA à 50 kVA) au niveau du port d'antenne.
• L'étanchéité à l'eau et à l'humidité est contrôlée afin de garantir que son réglage et ses performances ne soient pas affectés tout au long de sa durée de vie.
• Connexion à la terre robuste et impédance très faible par rapport à la terre du châssis de la passerelle afin d'éliminer toute surtension ESD et tout courant d'appel entrant dans la passerelle.
• Toute surtension ESD ou tout courant d'appel doit être évacué via la mise à la terre du filtre, sous peine d'endommager la passerelle.

De nombreuses spécifications doivent être prises en compte lors des calculs de blocage et de niveau RF de la passerelle et de la définition des spécifications du filtre de cavité RF ; cependant, les spécifications ci-dessus permettent d’obtenir un filtre très proche du filtre optimal et garantissent… Passerelle LoRaWAN® et les performances du réseau augmenteraient considérablement (nécessitant moins de passerelles pour couvrir la même zone géographique, souvent 2 à 5 fois moins de passerelles), garantiraient que les passerelles ne tombent pas en panne prématurément, ne dégradent pas les performances des stations de base 3G-5G colocalisées et réduiraient considérablement les visites sur site.

Tous ces facteurs permettront également de réduire considérablement les coûts de déploiement et d'exploitation des opérateurs LoRaWAN®. En résumé, les filtres à cavité RF améliorent non seulement sensiblement les performances de Passerelles LoRaWAN® et les réseaux, afin d'éviter les pannes prématurées, mais aussi de réduire les coûts de déploiement et d'exploitation pour les opérateurs.

Références:

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