キャビティRFフィルターとは何か、そしてなぜ重要なのか？

グローバル展開により LoRaWAN® 868 MHz および 915 MHz のグローバル非免許帯域で動作する Sigfox IoT LPWAN ネットワークでは、キャビティ RF フィルタが必要かどうか、その主な目的は何か、低雑音増幅器 (LNA) の後に PCB に実装される SAW、BAW、セラミックフィルタなどの他のタイプのフィルタに置き換えることができないのはなぜか、といった多くの疑問が生じています。

この短い論文では、これらの疑問やその他の疑問に簡単な言葉で答え、一般的な屋外用RFキャビティフィルタの種類と仕様について実用的な回答を提供します。 LoRaWAN®ゲートウェイ LoRaWAN®システムの良好な、あるいは優れたパフォーマンスを確保し、無線LNAやPA（今日でも一般的）が経年劣化で損傷しないようにするために、組み込む必要があります。

その バンドパスフィルター 外部の干渉を低減するために使用されます LoRaWAN®ゲートウェイ 高送信出力の3G-5G基地局、固定移動体通信システム、ページングシステム、テレビ局、ラジオ局、GPS中継器など、数MHzから500MHzの範囲で動作する多くの機器が使用する動作帯域。

キャビティRFフィルターは、以下の点で役立ちます。

• ノイズの多いRF環境におけるLoRaWAN®システムのパフォーマンスを向上させる、
• LoRaWAN®受信機、特にLNAを飽和や完全な故障（焼損）から保護します。
• LoRaWAN®送信機が相互変調積を発生させないように保護する
• LoRaWAN® Txの放射が、FCCおよびCEによって規制されている併設のセルラーネットワークやその他の種類のネットワークに与える影響を軽減します。

200MHzを超える周波数で動作する屋外基地局、無線機、またはゲートウェイは、受信信号と送信信号の両方に対して、アンテナ出力にRFフィルタを必ず組み込むべきである、というのが広く受け入れられ、実践されている原則である。

キャビティRFフィルターとは何か

一般的に、これらは大きめのアルミブロックで、RFコネクタは少数（フィルタの場合は2個、Tx信号とRx信号をフィルタリングして単一のアンテナポートに結合するデュプレクサの場合は3個）しかありません。これらのフィルタは、下図のように本体の1つまたは複数の側面に多数のネジが付いています。これらのネジの一部はトッププレートをシャーシに固定するために使用され、その他は調整ネジとして使用されます。

アルミニウム製の本体は、RF損失を低減し、フィルタ通過帯域全体で低損失を実現し、フィルタ通過帯域外で急峻な阻止特性を得るために必要な高いQ値またはフィルタ選択性を達成するために、常にメッキ（銀、銅、または宇宙用途のみでは金）が施されています。

RFキャビティフィルタは、かつても今も無線業界の主力部品であり、1Gから5Gまでのあらゆる無線システム、さらには民間および軍事通信システムで使用されています。50MHzから20GHz以上までの非常に広い周波数帯域をカバーしています。周波数が高くなるにつれて波長が短くなるため（光速は一定であり、RF信号の周波数と波長の積として定義されます）、サイズは小さくなります。

図1：典型的なRFキャビティフィルタまたはデュプレクサ 

RFキャビティフィルタは、通過帯域が動作周波数の0.5%未満から最大20%まで変化するため、幅広い実用的な用途があります。ただし、一般的な用途では、通過帯域は動作周波数の1%から10%の間です。ほとんどすべての無線システムは、アンテナと無線機の間にRFキャビティフィルタを使用して、他の無線システムが受信機に与える影響を低減し（LNA入力信号を帯域制限して、システム性能範囲外の低周波数と高周波数を排除）、実際のRF環境で最高の受信機性能を実現します。さらに、RFキャビティフィルタは送信信号にも使用され、送信信号は受信信号よりも120dBから150dBも強いため、PAノイズと放射が帯域制限され、他の種類の無線システムや自身に影響を与えないようにします。

RFキャビティフィルターの主な利点は何ですか？

それでは、RFキャビティフィルターを屋外で使用する必要がある具体的な理由について説明しましょう。 LoRaWAN® ゲートウェイ 他の種類のフィルターの代わりに。

RFキャビティフィルターは、他のタイプのフィルターと比較して、疑いようもなく高い価値を持つ。

1. 非常に低い挿入損失通常1dB以下
2. 非常に高い選択性 一般的に50dB～100dB（フィルタ通過帯域外で急峻かつ大きな減衰特性を示す）
3. 非常に高い送信電力信号を処理する能力 アンテナまたは受信入力に現れるシステム信号や他の無線システム信号のうち、選択度の高いものは多くありますが、挿入損失が非常に大きく、高送信電力には対応できません。

RFキャビティフィルタは大型で重量がありますが、多くの場合、これは大きな問題にはなりません。経験豊富な無線設計エンジニアは、その体積と質量を利用して無線機とパワーアンプから発生する熱を放散するため、大型シャーシや高価なヒートシンクの必要性を軽減できるからです。さらに、RFキャビティフィルタは落雷に対する最高の保護性能（50kVA、一般的な避雷器の2倍）を提供し、適切に設計されていれば、その保護性能はRFキャビティフィルタの設計に付属する形で提供されます。

RFキャビティフィルタの性能は、簡単に言うと、キャビティハウジングの形状とサイズ、共振器の数、共振器の物理的な配置、そして共振器とキャビティのQ値（選択度）によって決まります。キャビティの直径が大きいほど体積が大きくなりQ値が高くなるため、選択度が向上します。RFキャビティフィルタは、無線システムが最適な性能を最小限のコストで実現できるよう、RFおよび機械的な仕様に合わせてカスタム設計されます。

近年では、ベンダー独自のソフトウェアを使用することで、製造前にフィルターの設計と性能を容易にシミュレーションすることが可能です。シミュレーション結果が満足のいくもので、設計者間で合意が得られれば、高精度CNC加工機でフィルターハウジングと共振器を加工するためのCADファイルが生成されます。機械加工されたフィルターの性能が最適化され、関連するすべての仕様を満たしていることが証明されると、フィルターハウジングの製造コストと時間を削減し、生産量を増やすために、鋼製の金型が製造されます。

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図2：空洞と共振器を備えた典型的なRFキャビティフィルタの筐体

標準的なキャビティフィルタは、一般的にアルミニウムをベースメタルとして設計されています。ほとんどの金属は本質的に損失が大きいため、フィルタハウジングは電気特性と電流の流れを改善するために銀メッキされています。周波数ドリフトを温度変化で最小限に抑えるため、真鍮、銅、アルミニウム、またはバイメタル共振器が使用されます。最も一般的なのは、1/4波長共振RFキャビティフィルタです。これらのキャビティの実際の使用において、様々な仕様がどのように影響するかを理解することが重要です。

RFフィルタを設計する際には、そもそもRFフィルタが使用される理由である3つの主要な基準を満たす必要があります（繰り返しておきます）。 

a) フィルタ通過帯域全体における最小挿入損失、

b) 周波数帯域端または帯域端外の特定の周波数における最大阻止または減衰

c) 最大送信電力と放熱量。

挿入損失とは、目的の通過周波数または帯域における意図しない損失を指し、阻止損失とは、不要な周波数または帯域における望ましい損失を指します。目標は、目的の周波数における挿入損失を最小限に抑え、不要な周波数における減衰または阻止損失を最大化することです。以下に、チェビシェフ帯域通過RFキャビティフィルタの一般的なシミュレーションを示します。

図3： チェビシェフ帯域通過RFキャビティフィルタの一般的なシミュレーション

S21パラメータ これは、フィルタポート2と1（アンテナ不良ポートとRxポート、またはアンテナポートとTxポート）間のフィルタ減衰量、またはフィルタがサポートする周波数全体にわたるフィルタ除去比です。

S11パラメータ、 これは、サポートするさまざまな周波数にわたって反射された信号です。上の図からわかるように、フィルタの挿入損失、つまりS21パラメータは、フィルタの通過帯域全体で最小限です（0 dBに近いですが、実際には0.5 dBから1.5 dBの間です）。フィルタの反射電力、つまりS11は20 dB低下、つまり100分の1に低下しており、ポート1に入力されるRF信号電力の1%のみが反射され、残りの電力はフィルタを通過します。

もう一つ重要な点は、フィルタの次数、つまり共振器の数が、フィルタの除去特性の急峻さを決定するということです。共振器の数をN=5、7、9と増やすと、フィルタの特性はより急峻になり、両端の同一周波数帯域をより速く除去します。

それでは、屋外用RFキャビティフィルタの種類とその主な仕様について説明しましょう。 LoRaWAN ゲートウェイ 組み込む必要があります。高出力無線システムアンテナから遠く離れた場所に設置される屋内LoRaWANゲートウェイとは異なり、屋外LoRaWAN®ゲートウェイは通信塔やマイクロ波塔、屋上、街灯柱に取り付けられ、多くの場合、既に設置されているか、近接（50メートル未満）にある他の種類の無線システム、または1km離れた場所にあるテレビ塔があります。実際的な理由から、880MHzから894MHzの3Gおよび4Gシステムがあり、キャリアあたり通常20Wと40W（または43dBmと46dBm）で、931MHzの固定モバイルまたはページングシステムがあり、キャリアあたり通常60W（48dBm）であると仮定します。

屋外用LoRaWAN®、Sigfox、および868MHzおよび915MHzの非免許帯域で動作するその他のIoTゲートウェイは、LNA、PA、およびアンテナの間にRFキャビティフィルタを組み込む必要があることがわかったので、次にRFキャビティフィルタの主要仕様について説明します。これらのパラメータのほとんどは前のセクションで説明されているため、LoRaWANまたはその他のタイプのLoRaWANゲートウェイの調達または展開を検討する際に覚えておくか参照できるように、箇条書きでリストアップします。

RFキャビティフィルターはどのような機能をサポートすべきでしょうか？

• 高Q共振構造により、通過帯域挿入損失を低減し、帯域外除去比を高くする。
• RF信号のピーク対平均比（LoRaWAN信号の場合は低い）を補償し、最大3,000mの高度および動作温度範囲でのドリフトに対応するために、最低33dBm（2W）のRMS電力と最低39dBm（8W）のピーク電力が必要です。
• 挿入損失は、標準で1dB未満（最悪の場合2dB）で、通過帯域幅（展開状況に応じて868MHzまたは915MHz）を差し引いた値です。
• 損失が増加すると、ゲートウェイ雑音指数が直接的に上昇し（カバレッジが減少する）、挿入損失を克服するためにより高いPA送信電力が必要になります。
• Rxポートは、通過帯域の5MHz以内で少なくとも40dB、10～15MHz以内で85dBの除去性能を備え、ゲートウェイ受信機を帯域外の高出力干渉信号（3G-5Gセルラー、固定モバイル、ページング、デジタルTV、GPSリピーター、およびほとんどのLNAがブロードバンドデバイスであるため最大500MHz離れている可能性のあるその他の高出力無線システム）から保護する必要があります。

• 異なる地域、国、さらには都市にも複数の無線システムが展開されていることに注意することが重要であり、最も効果的で最適なRFキャビティフィルタを使用することが重要です。 LoRaWAN®ネットワーク 運用と展開。
• 送信ポートは、通過帯域の5MHz以内で少なくとも30dBの減衰、10～15MHz以内で75dBの減衰を提供する必要があります。

• 3G-5G無線システムの受信機性能に影響を与えるゲートウェイ送信の不要信号および高調波を除去します。
• ゲートウェイ受信帯域内に発生し、その性能を低下させるクロスモジュレーション生成物（帯域外の高出力干渉信号がゲートウェイ送信信号と混ざり合い、2次、3次、5次の相互変調生成物を生成する結果）を除去しました。
• -40℃～+75℃の周囲温度範囲に対応。
• アンテナポートに内蔵型ESTおよび雷保護機能（25kVA～50kVA）。
• 水と湿度は密閉されており、製品寿命を通してチューニングとパフォーマンスに影響が出ないようになっています。
• ゲートウェイシャーシのグランドへの堅牢な接地接続と非常に低いインピーダンスにより、ESDサージや突入電流がゲートウェイに侵入するのを排除します。
• ESDサージや突入電流は、フィルタの接地を通して終端/排出されなければならず、そうしないとゲートウェイが損傷する可能性が非常に高くなります。

ゲートウェイRFブロックおよびレベル計算を実行し、RFキャビティフィルタの仕様を導出する際には、考慮すべき仕様が多数ありますが、上記の仕様により最適なフィルタに非常に近いものが得られ、 LoRaWAN®ゲートウェイ ネットワークのパフォーマンスが大幅に向上し（同じ地理的エリアをカバーするために必要なゲートウェイの数が少なくなり、多くの場合2～5分の1で済む）、ゲートウェイが早期に故障することがなくなり、併設されている3G-5G基地局のパフォーマンスが低下しなくなり、サイト訪問が大幅に削減されます。

これらの要因により、LoRaWAN® オペレーターの展開および運用コストが大幅に削減されます。要約すると、RF キャビティ フィルタは、パフォーマンスを大幅に向上させるだけでなく、 LoRaWAN®ゲートウェイ また、ネットワークが早期に故障しないようにするだけでなく、事業者の導入コストと運用コストも削減します。

参照：

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