Che cos'è un filtro RF a cavità e perché è importante?

Con la diffusione globale del LoRaWAN® Per quanto riguarda le reti LPWAN IoT di Sigfox che operano nello spettro globale non licenziato a 868 MHz e 915 MHz, sono sorte molte domande sulla necessità dei filtri RF a cavità, sul loro scopo principale e sul perché non possano essere sostituiti con altri tipi di filtri come SAW, BAW, filtri ceramici e altri che vengono montati sul PCB dopo l'amplificatore a basso rumore (LNA).

Questo breve documento affronta queste e altre domande in termini semplici e fornisce risposte pratiche sul tipo e sulle specifiche dei filtri a cavità RF tipici per esterni Gateway LoRaWAN® dovrebbe essere integrato per garantire prestazioni del sistema LoRaWAN® buone o eccellenti e nessun danno al suo LNA radio e persino al PA (che sono ancora comuni oggi) nel tempo.

Migliori Filtri passa-banda vengono utilizzati per ridurre le interferenze esterne Gateway LoRaWAN® Banda operativa da stazioni base 3G-5G ad alta potenza di trasmissione, sistemi fissi, mobili e di paging, stazioni TV e radio, ripetitori GPS e molti altri che operano da pochi MHz a 500 MHz di distanza.

I filtri RF a cavità aiutano a:

• migliorare le prestazioni del sistema LoRaWAN® in ambienti RF rumorosi,
• protegge il ricevitore LoRaWAN® e in particolare l'LNA dalla saturazione e dai guasti completi (burn-out),
• proteggere il trasmettitore LoRaWAN® dalla generazione di prodotti di intermodulazione incrociata
• Riduce l'impatto delle emissioni di trasmissione LoRaWAN® sulle reti cellulari e di altro tipo collocate nello stesso luogo e regolamentate da FCC e CE.

È prassi e abitudine universalmente accettata che qualsiasi stazione base, radio o gateway per esterni operante al di sopra dei 200 MHz debba sempre incorporare filtri RF all'uscita dell'antenna per i segnali di trasmissione e ricezione.

Che cosa sono i filtri RF a cavità?

Generalmente, si tratta di blocchi di alluminio di grandi dimensioni con pochi connettori RF (2 se si tratta di un filtro e 3 se è un duplexer che filtra i segnali di trasmissione e ricezione e li combina in un'unica porta per l'antenna). Questi filtri presentano numerose viti su uno o più lati del corpo, come mostrato nell'immagine sottostante: alcune viti servono per fissare la piastra superiore al telaio, mentre altre sono viti di regolazione.

Il corpo in alluminio è sempre placcato (in argento, rame o persino oro, ma solo per applicazioni spaziali) per ridurre le perdite RF e ottenere l'elevato fattore di merito Q o la selettività del filtro necessari per ottenere basse perdite nella banda passante del filtro e un'attenuazione marcata al di fuori di essa.

I filtri a cavità RF sono stati e sono tuttora il cavallo di battaglia dell'industria wireless e vengono utilizzati in tutti i sistemi wireless, da 1G a 5G, nonché nei sistemi di comunicazione privati ​​e militari. Coprono uno spettro molto ampio, da 50 MHz fino a oltre 20 GHz. All'aumentare della frequenza, le loro dimensioni si riducono a causa della minore lunghezza d'onda (la velocità della luce è costante ed è definita come il prodotto della frequenza del segnale RF per la sua lunghezza d'onda).

Figura 1: Un tipico filtro a cavità RF o duplexer 

I filtri a cavità RF hanno un'ampia gamma di applicazioni pratiche, poiché la loro banda passante può variare da meno dello 0.5% fino al 20% della frequenza operativa, sebbene per le applicazioni più comuni la banda passante sia compresa tra l'1% e il 10% della frequenza operativa. La maggior parte, se non tutti, i sistemi wireless utilizzano filtri a cavità RF tra l'antenna e la radio per ridurre gli effetti di altri sistemi wireless sul ricevitore (limitando in banda il segnale di ingresso dell'LNA per rifiutare le frequenze più basse e più alte al di fuori delle prestazioni del sistema) e ottenere le migliori prestazioni del ricevitore in un ambiente RF reale. Inoltre, i filtri a cavità RF vengono utilizzati anche sul segnale di trasmissione per garantire che il rumore e le emissioni dell'amplificatore di potenza siano limitati in banda e non influiscano su altri tipi di sistemi wireless o sul sistema stesso, poiché i segnali di trasmissione sono molto più forti di qualsiasi segnale di ricezione, con una differenza di 120-150 dB.

Quali sono i principali vantaggi dei filtri a cavità RF?

Ora parliamo del perché, nello specifico, il filtro a cavità RF dovrebbe essere utilizzato per gli ambienti esterni. Gateway LoRaWAN® invece di altri tipi di filtri.

I filtri a cavità RF offrono un valore indiscutibilmente elevato, se confrontati con altri tipi di filtri:

1. perdita di inserzione molto bassa, tipicamente 1 dB o molto meno
2. selettività molto elevata In genere da 50 dB a 100 dB (attenuazione ripida e ampia al di fuori della banda passante del filtro)
3. capacità di gestire segnali di potenza di trasmissione molto elevati del suo sistema e di altri segnali di sistemi wireless che appaiono al suo ingresso Antenna o Rx. Esistono molti tipi di filtri che offrono un'elevata selettività, ma hanno una perdita di inserzione molto elevata e non possono gestire un'elevata potenza di trasmissione (Tx).

I filtri a cavità RF sono grandi e pesanti, ma in molti casi questo non rappresenta un problema significativo, poiché gli ingegneri esperti nella progettazione di radio utilizzano il loro volume e la loro massa per dissipare il calore generato dalla radio e dall'amplificatore di potenza, riducendo così la necessità di chassis più grandi e costosi dissipatori di calore. Inoltre, i filtri a cavità RF offrono la migliore protezione contro i fulmini (50 kVA, ovvero il doppio rispetto ai tipici scaricatori di sovratensione) e, se progettati correttamente, sono inclusi gratuitamente in un progetto di filtro a cavità RF adeguato.

In termini semplici, le prestazioni di un filtro a cavità RF dipendono dalla forma e dalle dimensioni dell'alloggiamento della cavità, dal numero di risonatori, dalla disposizione fisica dei risonatori e dal fattore di merito Q, ovvero dalla selettività del risonatore e della cavità. Una cavità di diametro maggiore offre una selettività migliore grazie al suo Q più elevato, derivante dal volume maggiore. I filtri a cavità RF sono progettati su misura in base alle precise specifiche RF e meccaniche, per garantire che il sistema wireless abbia prestazioni ottimali al minor costo.

Oggigiorno, la progettazione e le prestazioni dei filtri possono essere facilmente simulate prima della produzione utilizzando software proprietari del fornitore. Una volta che i risultati della simulazione sono soddisfacenti e concordati tra i progettisti, vengono generati i file CAD per la lavorazione dell'alloggiamento del filtro e dei risonatori con macchine CNC ad alta precisione. Dopo che il filtro è stato ottimizzato in termini di prestazioni e ha dimostrato di soddisfare tutte le specifiche pertinenti, viene prodotto uno stampo in acciaio per ridurre i costi e i tempi di produzione dell'alloggiamento del filtro e aumentare il volume di produzione.

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Figura 2: Un tipico alloggiamento per filtro a cavità RF con cavità e risonatori.

I filtri a cavità standard sono generalmente progettati utilizzando l'alluminio come metallo di base. Poiché la maggior parte dei metalli grezzi presenta intrinseche perdite, gli alloggiamenti dei filtri sono placcati in argento per migliorare le caratteristiche elettriche e il flusso di corrente. Per minimizzare la deriva di frequenza in funzione della temperatura, si utilizzano risonatori in ottone, rame, alluminio o bimetallici. I filtri a cavità RF risonanti a quarto d'onda sono i più comuni. È importante comprendere come le diverse specifiche influenzino l'utilizzo pratico delle cavità.

Nella progettazione dei filtri RF, è necessario soddisfare gli stessi tre criteri principali per cui vengono utilizzati (vale la pena ripeterli): 

a) perdita di inserzione minima nella banda passante del filtro,

b) massima reiezione o attenuazione al limite della banda di frequenza o a determinate frequenze al di fuori del limite della banda.

c) Potenza di trasmissione massima e dissipazione del calore.

Il termine "perdita di inserzione" si riferisce alla perdita involontaria alla frequenza o banda di passaggio desiderata, mentre "reiezione" indica la perdita desiderata alla frequenza o banda indesiderata. L'obiettivo è minimizzare la perdita di inserzione alla frequenza desiderata e massimizzare l'attenuazione o la reiezione alla frequenza indesiderata. Di seguito viene fornita una simulazione generale di un filtro a cavità RF passa-banda di Chebyshev.

Figura 3: Simulazione generale di un filtro a cavità RF passa-banda di Chebyshev

Il parametro S21 Si tratta dell'attenuazione del filtro tra la porta 2 e la porta 1 del filtro (porta antenna e porta Rx, oppure porta antenna e porta Tx), o di un'attenuazione del filtro sulle frequenze supportate.

Il parametro S11, Il segnale riflesso attraversa le diverse frequenze supportate. Come si può notare dalla figura precedente, la perdita di inserzione del filtro, o il suo parametro S21, è minima nell'intera banda passante del filtro (vicina a zero dB, ma in realtà è compresa tra 0.5 dB e 1.5 dB). La potenza riflessa del filtro, o S11, è ridotta di 20 dB, ovvero 100 volte inferiore, il che significa che solo l'1% della potenza del segnale RF che entra nella Porta 1 viene riflessa e il resto della potenza attraversa il filtro.

Un'altra osservazione importante è che l'ordine del filtro, ovvero il numero di risonatori, determina la pendenza della sua reiezione. All'aumentare del numero di risonatori (N = 5, 7 e 9), il filtro diventa più nitido e respinge le bande di frequenza coincidenti su entrambe le estremità molto più rapidamente.

Ora discutiamo di quali tipi di filtri a cavità RF e delle loro specifiche chiave per esterni Gateway LoRaWAN devono essere integrati. A differenza dei gateway LoRaWAN per interni, che vengono installati lontano da qualsiasi antenna di sistema wireless ad alta potenza, i gateway LoRaWAN® per esterni sono montati su torri di telecomunicazione e a microonde, tetti e pali della luce e, in molti casi, sono già presenti altri tipi di sistemi wireless installati nelle immediate vicinanze (meno di 50 metri) o torri TV che potrebbero trovarsi a 1 km di distanza. Per ragioni pratiche, supponiamo che siano presenti alcuni sistemi 3G e 4G a 880 MHz e 894 MHz con una potenza tipica di 20 W e 40 W per portante (o 43 dBm e 46 dBm) e sistemi mobili fissi o di paging a 931 MHz con una potenza tipica di 60 W per portante (48 dBm).

Dopo aver stabilito che i gateway IoT Outdoor LoRaWAN®, Sigfox e altre tecnologie operanti nello spettro non licenziato a 868 MHz e 915 MHz devono integrare filtri a cavità RF tra i loro LNA, PA e antenna, analizziamo ora le specifiche chiave dei filtri a cavità RF. Dato che la maggior parte di questi parametri è stata discussa nelle sezioni precedenti, li elencheremo qui in un elenco puntato per facilitarne la memorizzazione o la consultazione quando si considera l'acquisto o l'implementazione di gateway LoRaWAN o di altri tipi di gateway LoRaWAN.

Che tipo di filtri a cavità RF dovrebbero supportare?

• Strutture risonanti ad alto fattore di merito Q per garantire una bassa perdita di inserzione nella banda passante e un'elevata reiezione fuori banda.
• Potenza RMS minima di 33 dBm (2 W) e potenza di picco di almeno 39 dBm (8 W) per compensare il rapporto picco-media del segnale RF (basso per il segnale LoRaWAN), fino a 3,000 m di altitudine e la deriva in funzione della temperatura di esercizio.
• Perdita di inserzione inferiore a 1 dB in genere (2 dB nel caso peggiore) meno la sua banda passante (868 MHz o 915 MHz a seconda dell'implementazione).
• La maggiore perdita aumenterà direttamente il fattore di rumore del gateway (riducendone la copertura) e richiederà una maggiore potenza di trasmissione dell'amplificatore di potenza per compensare la perdita di inserzione.
• La porta Rx deve fornire un'attenuazione di almeno 40 dB entro 5 MHz e di 85 dB entro 10-15 MHz della sua banda passante per proteggere il ricevitore del gateway da tutti i segnali di interferenza ad alta potenza fuori banda (rete cellulare 3G-5G, rete mobile fissa, cercapersone, TV digitale, ripetitori GPS e altri sistemi wireless ad alta potenza che potrebbero trovarsi fino a 500 MHz di distanza, poiché la maggior parte degli LNA sono dispositivi a banda larga).

• È importante notare che diverse regioni geografiche, paesi e persino città hanno implementato più sistemi wireless ed è importante assicurarsi che vengano utilizzati i filtri di cavità RF corretti per garantire la massima efficacia e il miglior risultato possibile. Rete LoRaWAN® funzionamento e implementazione.
• La porta Tx deve fornire un'attenuazione di almeno 30 dB entro 5 MHz e un'attenuazione di 75 dB entro 10-15 MHz della sua banda passante per:

• Rifiuta i segnali spuri e le armoniche del Gateway Tx che influiscono sulle prestazioni del ricevitore del sistema wireless 3G-5G.
• Prodotti di intermodulazione eliminati (risultato della miscelazione di segnali di interferenza ad alta potenza fuori banda con il segnale Tx del gateway, che producono prodotti di intermodulazione di secondo, terzo e quinto ordine) che ricadono nella banda del ricevitore del gateway e ne degradano le prestazioni.
• Supporta un intervallo di temperatura ambiente da -40°C a +75°C.
• Protezione integrata contro fulmini e sovratensioni (da 25 kVA a 50 kVA) sulla porta dell'antenna.
• I livelli di acqua e umidità sono ristretti per garantire che la regolazione e le prestazioni non vengano compromesse durante la sua vita utile.
• Connessione di terra robusta e impedenza molto bassa verso la terra dello chassis del gateway per eliminare qualsiasi sovratensione ESD e corrente di spunto che possa entrare nel gateway.
• Qualsiasi sovratensione ESD o corrente di spunto deve essere scaricata/dispersa tramite la messa a terra del filtro, altrimenti il ​​gateway rischia di danneggiarsi.

Esistono molte specifiche da considerare quando si eseguono i calcoli del blocco e del livello RF del gateway e si derivano le specifiche del filtro della cavità RF, tuttavia le specifiche di cui sopra porterebbero molto vicino al filtro ottimale e garantirebbero il Gateway LoRaWAN® e le prestazioni della rete aumenterebbero sostanzialmente (richiedendo un minor numero di Gateway per coprire la stessa area geografica, spesso da 2 a 5 volte meno Gateway), garantirebbe che i Gateway non si guastino prematuramente, non degraderebbero le prestazioni delle stazioni base 3G-5G collocate nello stesso sito e ridurrebbero sostanzialmente le visite in loco.

Tutti questi fattori si tradurranno anche in costi di implementazione e operativi dell'operatore LoRaWAN® molto più bassi. In sintesi, i filtri RF Cavity non solo migliorano sostanzialmente le prestazioni di Gateway LoRaWAN® e le reti, garantendo che non si guastino prematuramente, ma anche riducendo i costi di implementazione e di esercizio per l'operatore.

Riferimenti:

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