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Frequenzabhängige Verlustmechanismen bei der Leistung von 5G-Koaxialkabeln
Skineffekt und Dielektrikumsverluste in den Sub-6-GHz- und mmWellen-Bändern
Bei höheren Frequenzen können Koaxialkabel aufgrund der Gesetze der Physik einfach nicht mehr so gut arbeiten. Der Skineffekt drängt die Hochfrequenzströme in die äußeren Bereiche der Leiter, wodurch diese wie mit einem höheren Widerstand wirken. Kupfer verschlechtert sich schnell, wenn die Frequenzen ansteigen, und verliert etwa 40 % seiner Leitfähigkeit, wenn man von 3,5 GHz bis hin zu 28 GHz geht. Gleichzeitig beginnen die Materialien im Inneren des Kabels, mehr Energie zu absorbieren. Schaumpolyethylen verliert bei 6 GHz etwa 0,5 dB pro Meter, während der Wechsel zu fluoriertem Ethylenpropylen diese Verluste im anspruchsvollen Millimeterwellenbereich um etwa 30 % senkt, da hier weniger Energie vergeudet wird. All diese zusammengenommenen Verluste beeinträchtigen die Signalqualität in großen MIMO-Systemen erheblich, insbesondere die Präzision der Beamforming-Funktion jenseits von 24 GHz, wo kaum noch Spielraum für Fehler bleibt. Systementwickler sehen sich häufig mit schrumpfenden Sicherheitsmargen konfrontiert, während die Frequenzen weiter ansteigen.
Konstruktionsentscheidungen für Koaxialkabel, die die Signalintegrität von 5G bestimmen
Leiterreinheit, Vergleich zwischen Foam-PE und FEP-Dielektrika sowie Abwägungen bei der Abschirmungsarchitektur
Die Leistung von Koaxialkabeln in 5G-Systemen basiert auf drei Hauptkonstruktionsfaktoren. Beginnen wir mit dem Leitermaterial. Sauerstofffreies Kupfer (OFC) wird bevorzugt, da es die Widerstandsverluste reduziert. Das ist bei Millimeterwellenfrequenzen sehr wichtig, da der Haut-Effekt Strom in eine dünne Schicht in der Nähe der Oberfläche drückt. Als nächstes haben wir die dielektrische Materialwahl. Es gibt Kompromisse. Schaumstoff-Polyethylen funktioniert gut für Frequenzen unter 6 GHz mit geringeren Signalverlusten, aber wenn man auf 28 GHz drängt, wird fluoriertes Ethylenpropylen (FEP) besser, obwohl es laut RF Component Journal aus dem letzten Jahr etwa 30% mehr kostet. Das dritte Element ist das Abschirmungsmaterial. Mehrschichtdesigns wie Folien-Flocken-Folienkombinationen erreichen in der Regel eine Abdeckung von über 95%, was einen großen Unterschied gegen elektromagnetische Störungen in überfüllten Anlagen macht. Tests unter realen Bedingungen zeigen, dass Kabel, die FEP anstelle von PE verwenden, bei 24 GHz um etwa 15% weniger Signalzerstörungen erleiden.
50 μ Impedanzkonsistenz und ihre Rolle bei der Minimierung von Reflexionen in 5G-Basisstationen
Die Aufrechterhaltung einer Impedanz von 50 Ohm innerhalb eines engen Bereichs von +/- 0,5 Ohm ist wirklich wichtig, um die Signalreflexionen in diesen 5G-Basisstationverbindungen zu reduzieren. Kleine Probleme sind auch hier wichtig. Wenn die Leitergröße nicht gleich ist oder Lücken im dielektrischen Material vorhanden sind, erhöht sich das sogenannte Voltage Standing Wave Ratio oder VSWR. Und dieses Problem wird schlimmer, wenn Signale durch all diese Antennenfeeds in einer Matrix reisen. Schauen Sie sich an, was passiert, wenn VSWR bei 3,5 GHz 1,5 zu 1 erreicht. Nach einigen Berichten der Industrie aus dem letzten Jahr kann diese einfache Mismatch tatsächlich die effektive Strahlungsleistung um etwa 20% senken. Das ist bedeutend. Gute Herstellungsverfahren helfen, die Impedanzniveau gleich zu halten, auch wenn Kabel länger werden oder sich die Temperaturen ändern. Dies führt zu Rückgabeverlusten unter -20 dB, was für die Signalkwalität und Strahlverteilung in den massiven MIMO-Setups, auf die moderne Netzwerke heute so stark angewiesen sind, einen großen Unterschied macht.
Umweltbedingungen und Installationsherausforderungen für die Zuverlässigkeit von Koaxialkabeln in realen 5G-Netzen
EMV-Robustheit: Abschirmwirksamkeit in dichten urbanen 5G-Umgebungen
Koaxialkabel haben erhebliche Probleme mit elektromagnetischen Störungen in überfüllten Stadtgebieten, wo 5G-Antennen direkt neben Stromleitungen und verschiedenen industriellen Maschinen angeordnet sind. Die HF-Felder überlagern sich ständig, was die Signalqualität besonders stark beeinträchtigt, insbesondere an gemeinsam genutzten Versorgungsmasten oder wenn mehrere Kabel auf Dächern gebündelt verlegt sind. Abschirmungen aus geflochtenem Kupfer und Aluminiumfolie können diese Störungen um etwa 40 bis 60 Dezibel reduzieren, wodurch die wichtigen Signal-Rausch-Verhältnisse für eine gute Leistung aufrechterhalten werden. Wenn Unternehmen auf solche Abschirmungen verzichten, ist der Rückgang der Datenübertragungsrate in stark gestörten Bereichen wie viel frequentierten Bahnhöfen oder Geschäftsvierteln, in denen gleichzeitig dutzende Signale reflektiert werden, deutlich spürbar.
Physikalische Abbau-Faktoren: Feuchtigkeit, UV-Strahlung, Biegeradius und mechanische Belastung
Außenliegende 5G-Installationen setzen Koaxialkabeln mehreren Umweltbelastungen aus, die die Alterung beschleunigen und die Leistung beeinträchtigen:
- Feuchtigkeit : Feuchtigkeitsaufnahme führt zur Korrosion der Leiter und verschlechtert die dielektrische Isolierung, wodurch die Dämpfung um bis zu 15 % ansteigt (PTS, 2023); wetterfeste Ummantelung und hermetisch dichtende Steckverbinder sind in küstennahen oder feuchten Regionen zwingend erforderlich.
- UV-Strahlung: Instabile Polyethylen-Mäntel werden nach zwei bis drei Jahren Sonneneinstrahlung spröde und reißen auf; UV-stabile Verbindungen können die Lebensdauer um etwa 70 % verlängern.
- Biegeradius: Enge Biegungen können eine Verformung des dielektrischen Kerns verursachen, was zu lokalen Impedanzunstimmigkeiten und Mikrorückreflexionen führt, insbesondere für Millimeterwellensignale besonders schädlich.
- Vibrationen und mechanische Belastungen : Windlast und mechanische Ermüdung von mastmontierten Steckverbindern führen im Laufe der Zeit zu Verschleiß; Dehnungsreliefs aus Edelstahl senken die Ausfallrate der Steckverbinder in stark frequentierten Bereichen um 34 %.
Robuste Installationspraktiken – einschließlich der Einhaltung der minimalen Biegeradien, der Verwendung von UV-beständigen Leitungen und einer ordnungsgemäßen Zugentlastung – sind keine optionalen Verbesserungen, sondern grundlegende Anforderungen für die langfristige Zuverlässigkeit in realen 5G-Netzen.
