O que é um filtro de cavidade RF e por que ele é importante?

Com a implantação global do Lorawan® Em redes LPWAN de IoT da Sigfox que operam no espectro global não licenciado de 868 MHz e 915 MHz, surgiram muitas dúvidas sobre a necessidade de filtros de cavidade RF, qual sua principal finalidade e por que eles não podem ser substituídos por outros tipos de filtros, como SAW, BAW, filtros cerâmicos e outros que são montados na placa de circuito impresso após o amplificador de baixo ruído (LNA).

Este breve artigo aborda essas e outras questões em termos simples e fornece respostas práticas sobre os tipos e especificações de filtros de cavidade de radiofrequência (RF) típicos para uso externo. Gateways LoRaWAN® deve incorporar medidas para garantir um bom ou excelente desempenho do sistema LoRaWAN® e evitar danos ao seu LNA de rádio e até mesmo ao PA (que ainda são comuns hoje em dia) ao longo do tempo.

O Filtros passa-banda são usados ​​para reduzir a interferência externa do Gateway LoRaWAN® A faixa de operação abrange estações base 3G-5G de alta potência de transmissão, sistemas fixos móveis e de paginação, estações de TV e rádio, repetidores GPS e muitos outros, operando em frequências que variam de alguns MHz a 500 MHz.

Os filtros de cavidade RF ajudam a:

• Melhorar o desempenho do sistema LoRaWAN® em ambientes de radiofrequência ruidosos.
• Protege o receptor LoRaWAN® e, especificamente, o LNA contra saturação e falhas totais (queima).
• Proteger o transmissor LoRaWAN® da geração de produtos de intermodulação cruzada.
• Reduz o efeito das emissões de transmissão LoRaWAN® em redes celulares e de outros tipos de redes localizadas no mesmo local, que são regulamentadas pela FCC e CE.

É universalmente aceito e praticado que qualquer estação base externa, rádio ou gateway operando acima de 200 MHz deve sempre incorporar filtros de RF na saída da antena para sinais de recepção (Rx) e transmissão (Tx).

O que são filtros de cavidade RF?

Geralmente, são blocos maiores de alumínio com poucos conectores de RF (2 se for um filtro e 3 se for um duplexador que filtra os sinais de transmissão e recepção e os combina em uma única porta de antena). Esses filtros possuem muitos parafusos em um ou mais lados de seu corpo, conforme a imagem abaixo – alguns parafusos são usados ​​para fixar a placa superior ao chassi e outros são parafusos de ajuste.

O corpo de alumínio é sempre revestido (com prata, cobre ou até mesmo ouro, mas apenas para aplicações espaciais) para reduzir as perdas de radiofrequência e alcançar o alto fator Q ou seletividade do filtro necessários para obter baixas perdas na faixa de passagem do filtro e forte rejeição fora dessa faixa.

Os filtros de cavidade de radiofrequência (RF) eram e ainda são a base da indústria sem fio, sendo utilizados em todos os sistemas sem fio, de 1G a 5G, bem como em sistemas de comunicação privados e militares. Eles cobrem um espectro muito amplo, de 50 MHz até mais de 20 GHz. À medida que a frequência aumenta, seu tamanho diminui devido aos comprimentos de onda mais curtos (a velocidade da luz é constante e definida como o produto da frequência do sinal de RF pelo seu comprimento de onda).

Figura 1: Um filtro de cavidade de RF típico ou duplexador 

Os filtros de cavidade de RF têm uma ampla gama de aplicações práticas, pois sua banda de passagem pode variar de menos de 0.5% a até 20% da frequência de operação, embora para a maioria das aplicações comuns a banda de passagem esteja entre 1% e 10% da frequência de operação. A maioria, senão todos, os sistemas sem fio utilizam filtros de cavidade de RF entre a antena e o rádio para reduzir os efeitos de outros sistemas sem fio em seu receptor (limitando a banda do sinal de entrada do LNA para rejeitar frequências mais baixas e mais altas fora da faixa de desempenho do sistema) e obter o melhor desempenho do receptor em um ambiente de RF real. Além disso, os filtros de cavidade de RF também são usados ​​no sinal de transmissão para garantir que o ruído e as emissões do amplificador de potência sejam limitados em banda e não impactem outros tipos de sistemas sem fio, nem o próprio amplificador, visto que os sinais de transmissão são muito mais fortes do que quaisquer sinais de recepção, em 120 dB a 150 dB.

Quais são os principais benefícios dos filtros de cavidade de RF?

Agora vamos falar sobre por que especificamente o Filtro de Cavidade RF deve ser usado para aplicações externas. Gateways LoRaWAN® em vez de outros tipos de filtros.

Os filtros de cavidade de RF possuem um valor indiscutivelmente alto, quando comparados a outros tipos de filtros:

1. perda de inserção muito baixa, normalmente 1 dB ou muito menos
2. altíssima seletividade Normalmente, de 50 dB a 100 dB (rejeição acentuada e grande fora da faixa de passagem do filtro).
3. capacidade de lidar com sinais de potência de transmissão muito altos do seu sistema e de outros sinais de sistemas sem fio que aparecem na sua antena ou entrada de recepção. Existem muitos tipos de filtros que proporcionam alta seletividade, mas eles têm uma perda de inserção muito alta e não suportam alta potência de transmissão.

Os filtros de cavidade de RF são grandes e pesados, mas, em muitos casos, isso não representa um grande problema, pois engenheiros de projeto de rádio experientes utilizam seu volume e massa para dissipar o calor gerado pelo rádio e pelo amplificador de potência, reduzindo assim a necessidade de chassis maiores e dissipadores de calor dispendiosos. Além disso, o filtro de cavidade de RF oferece a melhor proteção contra descargas atmosféricas (50 kVA, ou o dobro da capacidade de um para-raios típico) e, se projetado corretamente, essa proteção é praticamente garantida com um projeto adequado de filtro de cavidade de RF.

Em termos simples, o desempenho de um filtro de cavidade de RF baseia-se na forma e no tamanho da cavidade, no número de ressonadores, na disposição física dos ressonadores e no fator Q ou seletividade do ressonador e da cavidade. Uma cavidade de maior diâmetro proporciona melhor seletividade devido ao seu fator Q mais elevado, resultante do maior volume. Os filtros de cavidade de RF são projetados sob medida, de acordo com as especificações exatas de RF e mecânicas, para garantir que o sistema sem fio tenha o desempenho ideal ao menor custo.

Atualmente, o projeto e o desempenho dos filtros são facilmente simulados antes da fabricação, utilizando softwares proprietários dos fornecedores. Assim que os resultados da simulação são satisfatórios e acordados entre os projetistas, os arquivos CAD são gerados para usinagem da carcaça do filtro e dos ressonadores com usinagem CNC de alta precisão. Após a otimização do desempenho do filtro usinado e a comprovação de que ele atende a todas as especificações relevantes, uma ferramenta de aço é produzida para reduzir o custo e o tempo de produção da carcaça do filtro, além de aumentar o volume de produção.

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Figura 2: Uma carcaça típica de filtro de cavidade de RF com cavidades e ressonadores.

Os filtros de cavidade padrão geralmente são projetados usando alumínio como metal base. Como a maioria dos metais brutos apresenta perdas inerentes, as carcaças dos filtros são banhadas a prata para melhorar as características elétricas e o fluxo de corrente. Ressonadores de latão, cobre, alumínio ou bimetálicos são usados ​​para minimizar a deriva de frequência com a temperatura. Os filtros de cavidade de RF ressonantes de um quarto de comprimento de onda são os mais comuns. É importante entender como as diversas especificações impactam o uso prático das cavidades.

Ao projetar filtros de RF, os mesmos três critérios principais que justificam sua utilização devem ser atendidos (vale a pena repeti-los): 

a) perda de inserção mínima em toda a banda de passagem do filtro,

b) rejeição ou atenuação máxima na borda da faixa de frequência ou em certas frequências fora da borda da faixa.

c) Potência máxima de transmissão e dissipação de calor.

O termo Perda de Inserção é definido como a perda não intencional na frequência ou banda de passagem desejada, enquanto Rejeição é a perda desejada na frequência ou banda indesejada. O objetivo é minimizar a perda de inserção na frequência desejada e maximizar a atenuação ou rejeição na frequência indesejada. Uma simulação geral de um filtro passa-banda de cavidade de RF Chebyshev é apresentada abaixo.

Figura 3: Uma simulação geral de um filtro passa-banda de cavidade de RF Chebyshev

O parâmetro S21 é a atenuação do filtro entre as portas 2 e 1 do filtro (porta de antena com sinal fraco e porta Rx, ou porta de antena e porta Tx), ou a rejeição do filtro em todas as frequências que ele suporta.

O parâmetro S11, é o sinal refletido em diferentes frequências que suporta. Como pode ser visto na figura acima, a perda de inserção do filtro, ou seu parâmetro S21, é mínima em toda a banda de passagem do filtro (próxima de zero dB, mas na realidade, está entre 0.5 dB e 1.5 dB). A potência refletida do filtro, ou S11, é 20 dB menor, ou seja, 100 vezes menor, o que significa que apenas 1% da potência do sinal de RF que entra na Porta 1 é refletida e o restante da potência passa pelo filtro.

Outra observação importante é que a ordem do filtro, ou o número de ressonadores, define a inclinação da rejeição do filtro. À medida que o número de ressonadores aumenta de N = 5, 7 e 9, o filtro torna-se mais preciso e rejeita as bandas de frequência colocalizadas em ambas as extremidades muito mais rapidamente.

Vamos agora discutir os tipos de filtros de cavidade de RF e suas principais especificações para uso externo. Gateways LoRaWAN É necessário incorporar. Ao contrário dos gateways LoRaWAN internos, que são implantados longe de quaisquer antenas de sistemas sem fio de alta potência, os gateways LoRaWAN® externos são montados em torres de telecomunicações e micro-ondas, telhados e postes de iluminação e, em muitos casos, existem outros tipos de sistemas sem fio já instalados ou em proximidade (menos de 50 metros) ou torres de TV que podem estar a 1 km de distância. Por razões práticas, vamos assumir que existem alguns sistemas 3G e 4G de 880 MHz a 894 MHz com potência típica de 20 W e 40 W por portadora (ou 43 dBm e 46 dBm) e sistemas fixos móveis ou de paging em 931 MHz com potência típica de 60 W por portadora (48 dBm).

Tendo estabelecido que os gateways IoT externos LoRaWAN®, Sigfox e outras tecnologias que operam no espectro não licenciado de 868 MHz e 915 MHz devem incorporar filtros de cavidade de RF entre seus LNAs, PAs e antenas, vamos agora abordar as principais especificações dos filtros de cavidade de RF. Como a maioria desses parâmetros foi discutida nas seções anteriores, listaremos os mesmos em tópicos para facilitar a consulta e a memorização ao considerar a aquisição ou implantação de gateways LoRaWAN ou outros tipos de gateways LoRaWAN.

O que os filtros de cavidade de RF devem suportar?

• Estruturas ressonantes de alto Q para garantir baixa perda de inserção na banda de passagem e alta rejeição fora da banda.
• Potência mínima de 33 dBm (2 W) RMS e potência de pico de pelo menos 39 dBm (8 W) para compensar a relação pico-média do sinal de RF (baixa para o sinal LoRaWAN), até 3,000 m de altitude e deriva em relação à temperatura de operação.
• Perda de inserção típica inferior a 1 dB (2 dB no pior caso) menos a sua banda de passagem (868 MHz ou 915 MHz, dependendo da implementação).
• A maior perda aumentará diretamente a Figura de Ruído do Gateway (reduzindo sua cobertura) e exigirá maior potência de transmissão do amplificador de potência para compensar a perda de inserção.
• A porta Rx deve fornecer pelo menos 40 dB de rejeição dentro de 5 MHz e 85 dB de rejeição dentro de 10-15 MHz de sua banda de passagem para proteger o receptor do gateway de todos os sinais de interferência de alta potência fora da banda (celular 3G-5G, celular fixo, paging, TV digital, repetidor GPS e outros sistemas sem fio de alta potência que podem estar a até 500 MHz de distância, já que a maioria dos LNAs são dispositivos de banda larga).

• É importante observar que diferentes regiões geográficas, países e até mesmo cidades possuem múltiplos sistemas sem fio implantados, sendo crucial garantir o uso dos Filtros de Cavidade de RF corretos para obter o melhor desempenho. Rede LoRaWAN® Operação e implantação.
• A porta de transmissão (Tx) deve fornecer pelo menos 30 dB de rejeição em uma faixa de 5 MHz e 75 dB de rejeição em uma faixa de 10 a 15 MHz da sua banda de passagem para:

• Rejeita sinais espúrios e harmônicos do transmissor de gateway que afetam o desempenho do receptor do sistema sem fio 3G-5G.
• Eliminação de produtos de modulação cruzada (resultado da mistura de sinais de interferência de alta potência fora da banda com o sinal de transmissão do gateway, produzindo produtos de intermodulação de 2ª, 3ª e 5ª ordem) que caem na banda do receptor do gateway e degradam seu desempenho.
• Suporta temperaturas ambientes de -40°C a +75°C.
• Proteção contra surtos e raios integrada (25 kVA a 50 kVA) na porta da antena.
• A vedação contra água e umidade garante que sua afinação e desempenho não sejam afetados ao longo de sua vida útil.
• Conexão de aterramento robusta e impedância muito baixa ao aterramento do chassi do gateway para eliminar qualquer surto de ESD e corrente de pico que possa entrar no gateway.
• Qualquer surto ESD ou corrente de pico deve ser interrompido/eliminado através do aterramento do filtro, caso contrário, o gateway provavelmente será danificado.

Existem muitas especificações a serem consideradas ao realizar os cálculos de bloco e nível de RF do gateway e ao derivar as especificações do filtro de cavidade de RF; no entanto, as especificações acima aproximam bastante o filtro ideal e garantem a Gateway LoRaWAN® e o desempenho da rede aumentaria substancialmente (exigindo menos gateways para cobrir a mesma área geográfica, frequentemente de 2 a 5 vezes menos gateways), garantindo que os gateways não falhassem prematuramente, não degradando o desempenho das estações base 3G-5G colocalizadas e reduzindo substancialmente as visitas aos locais.

Todos esses fatores também resultarão em custos de implantação e operação muito menores para as operadoras de LoRaWAN®. Em resumo, os filtros de cavidade de RF não apenas melhoram substancialmente o desempenho de Gateways LoRaWAN® e redes, garantindo que não falhem prematuramente, além de reduzir o custo de implantação e o custo operacional para a operadora.

Referências:

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