Miten valita koaksiaalikaapeli tukiasemalle?

Impedanssien sovitus ja taajuusalueen yhteensopivuus

Miksi 50 Ω on kriittinen BTS:n RF-liitännöille

Kantaverkkotukiasemien (BTS) järjestelmät riippuvat voimakkaasti siitä, että niiden RF-liitännöissä säilytetään vakioimpedanssi 50 ohmia. Tämä auttaa saamaan parhaan mahdollisen hyötysuhteen tehon siirrossa samalla kun haitallisesti heijastuvat signaalit pysytetään hallinnassa. Kansainväliset RF-insinööristandardit, kuten IEC 61196 ja IEEE 1162, määrittelevät tämän vaatimuksen tarkasti, mikä varmistaa, että antennit, suodattimet, vahvistimet ja ne pitkät siirtolinjat, joita kaikki tunnemme ja arvostamme, toimivat yhdessä moitteettomasti. Kun impedanssimismatch on yli ±5 ohmia, noin 15–30 prosenttia lähetetystä tehosta heijastuu takaisin sen sijaan, että se etenisi oikeaan suuntaan. Tällainen ilmiö heikentää merkittävästi signaalin laatua ja aiheuttaa ongelmia jännitteen seisovan aallon suhteen (VSWR) tehtävissä mittauksissa. Ja totisesti: nykyaikaisten soluverkkojen käyttäessä näin korkeita taajuuksia pienet poikkeamat pahenevat vain entisestään, kun ne leviävät järjestelmän läpi. Siksi noudattaminen tiukasti 50 ohmin standardia ei ole enää pelkästään hyvä käytäntö – se on ehdottoman välttämätöntä, jos haluamme, että verkkorakennelmat pysyvät sekä vakaina että laajennettavissa tarpeen mukaan.

Suoritusvaatimukset HF-/VHF-/UHF- ja solukkoverkkoalueilla (700 MHz–2,7 GHz)

Koaksiaalikaapelien toiminnan varmistamiseksi niiden on säilytettävä vakaa 50 ohmin impedanssi koko käyttöajan ja suoritettava hyvin tietyillä taajuusalueilla. Kun tarkastellaan noin 3–300 megahertsin taajuuksia (HF- ja VHF-alue), tärkeintä on säilyttää vakaita vaiheominaisuuksia ja vähentää signaalihäiriöitä. Tämä on erityisen tärkeää vanhoille järjestelmille, jotka käyttävät edelleen analogista äänikommunikointia ja perinteisiä tietoliikennevälineitä. Tilanne muuttuu huomattavasti siirryttäessä UHF-alueelle ja nykyaikaiselle solukkoalueelle, joka ulottuu noin 700 megahertsiin aina noin 2,7 gigahertsiin saakka. Tässä alueessa painopiste siirtyy signaalihäviön vähentämiseen ja kaapelin kykyyn kestää merkittäviä tehotasoja. Tämä pätee erityisesti nykyaikaisiin 5G-verkkoihin, jotka vaativat laajia kaistaleveyksiä ja monimutkaisia massiivisia MIMO-ratkaisuja. Mielenkiintoisesti kaapeli, joka on suunniteltu erityisesti toimimaan 2,7 gigahertsin taajuudella, voi menettää jopa noin 40 prosenttia enemmän signaalivoimaa verrattuna identtiseen kaapeliin, jota käytetään vain 700 megahertsin taajuuksilla. Tämän merkittävän eron vuoksi insinöörien on kiinnitettävä erityistä huomiota tekijöihin, kuten käytettyihin eristävämateriaaleihin, johtimien muotoon ja valittuun suojaukseen valmistuksen aikana, jos he haluavat säilyttää signaalilaadun kaikilla niillä taajuuksilla, joilla nämä kaapelit toimivat.

VSWR:n vaikutus järjestelmän luotettavuuteen tiukkojen BTS-asennusten yhteydessä

Kun käsitellään tiukkoja kaupunkialueita tai kohteita, joissa useat operaattorit jakavat tilaa, VSWR-suhteen ylittyessä 1,5:1 alkaa järjestelmän luotettavuus heikentyä huomattavasti. Todellisten kenttämittausten tarkastelu suurilta verkkopalveluntarjoajilta paljastaa huolestuttavan asian: kun VSWR pysyy jatkuvasti yläpuolella arvoa 1,8:1, sivupaikkojen vikaantumisten määrä kasvaa noin neljännesosalla. Pääsyyt tähän ovat heijastunut energia, joka häiritsee ylöspäin suuntautuvia vastaanottimia ja aiheuttaa nuo ikävät automaattiset lähetinten sammutukset, joita kukaan ei halua. Lisäksi, jos koaksiaalikaapeli tai liittimet eivät ole riittävän hyvin sovitettuja, ne aiheuttavat niin sanottua passiivista intermodulaatiota (PIM). Tämä PIM häiritsee naapurikanavia ja tekee taajuusalueen käytöstä tehottomampaa kuin se pitäisi olla. Tässä on vielä yksi asia, jota insinöörit tulisi muistaa: koska VSWR kertyy peräkkäisissä komponenteissa – esimerkiksi hyppäyskaapelit, pääsyöttökaapelit ja lopulta antennit – on tärkeää, että jokaisen yhteyskohdan VSWR pysyy alle 1,25:1:n, mikä on yhtä tärkeää kuin itse lähetimen VSWR-arvo. Tämä huolellisuus kaikkien rajapintojen osalta varmistaa vakaa suorituskyky koko viestintäketjussa.

Signaalin vaimeneminen, tehonkäsittelykyky ja fyysinen koko – kompromissit

Koaksiaalikaapelin vaimeneminen taajuuden, pituuden ja halkaisijan funktiona: Käytännön tiedot 146 MHz:n ja 1,8–2,7 GHz:n BTS-taajuuksille

Signaalihäviö koaksiaalikaapeleissa noudattaa melko ennustettavia kaavoja. Kun taajuus kaksinkertaistuu, häviöt kasvavat nelinkertaisiksi. Jos joku leikkaa kaapelin halkaisijan puoleen, odota noin 30 % suurempaa signaalihäviötä erityisesti niillä solukkotaajuuksilla, joita kaikki tänä päivänä ovat huolissaan. Tarkastellaan esimerkiksi standardia puolen tuuman kaapelia, joka on 100 metriä pitkä. Taajuudella 146 MHz se aiheuttaa noin 3,2 dB:n signaalivoimakkuuden heikkenemisen. Mutta kun taajuutta nostetaan 2,7 GHz:een, häviö kasvaa yhtäkkiä 18 dB:hen, mikä ylittää täysin sen, mikä on hyväksyttävissä 5G-verkoille (yleensä alle 1,5 dB per 100 feet). Suuremmat kaapelit, kuten 7/8 tuuman tai jopa 1-5/8 tuuman heliax-kaapelit, voivat vähentää näitä häviöitä alle 6 dB:hen samalla matkalla taajuudella 2,7 GHz, mikä auttaa pitämään kattavuuden vahvana solujen reunoilla. On kuitenkin yksi ongelma: nämä suuremmat kaapelit ovat erittäin jäykkiä ja vaikeita asentaa tornien päällä, joissa tila on kapea. Lisäksi asentajien on käytettävä ylimääräistä aikaa ja rahaa niiden oikeaan sijoittamiseen. Ja tässä on vielä yksi asia, josta kukaan ei mielellään puhu, mutta joka on erittäin tärkeä: jokainen lisäyksikkö 3 dB:n signaalihäviössä tarkoittaa, että lähetintehoa on tuplattava vain sen varmistamiseksi, että kaikki toimii oikein. Signaalihäviö ei siis enää koske pelkästään radioaaltoja, vaan se vaikuttaa myös lämmönhallintaan ja lisää todellisia käyttöön liittyviä vaikeuksia verkkotoimittajille.

Lämmönhallinnan ja tehomäärittelyn huomioon ottaminen 100–1000 W:n BTS-lähettimissä

Kun kyseessä ovat tehokkaat BTS-sovellukset, tehonkäsittelyä ei voida erottaa lämmönkäsittelystä. Korkean tappion kaapelit muuttavat suuren osan RF-energiasta todelliseksi lämmöksi. Otetaan esimerkiksi 100 watin jatkuvaa signaalia, joka toimii 2,1 GHz:n taajuudella. Tällainen asetelma voi nostaa tavallisen puolen tuuman koaksiaalikaapelin ulkopinnan lämpötilaa noin 15 astetta Celsius-astikolla, mikä kiihdyttää dielektrisen materiaalin ikääntymistä sisällä. Makroasemilla, joissa käsitellään 1000 wattia, operaattoreiden on vähennettävä tehotulostetta noin 40 %:lla, jos ympäröivä lämpötila nousee yli 40 astetta Celsius-astikolla, jotta eristeen täydellinen pettäminen estetään. Hyvä lämmönhallinta edellyttää rypistettyä kupariverhokkaapelia, koska se poistaa lämmön noin 25 %:a nopeammin kuin sileäseinäiset vastaavat kaapelit. Myös vähimmäiskaarevuussäteen määritelmien tiukka noudattaminen on tärkeää, jotta erityisalueille ei syntyisi haitallisesti kuumia kohtia. Kaikki nämä toimet auttavat pidentämään laitteiston käyttöikää ja pitämään PIM-tasot vakaina, erityisesti pitkäaikaisissa korkean tehon käyttötilanteissa.

Yleisimpien koaksiaalikaapelityyppien vertailu BTS-asennuksiin

RG-sarjan ja LMR®-koaksiaalikaapelien vertailu: tappio, joustavuus ja kustannusanalyysi keskitärkeillä taajuuksilla

Oikean koaksiaalikaapelin valinta BTS-asennuksia varten vaatii useiden tekijöiden harkintaa, kuten signaalihäviötä, kestävyyttä fyysiselle rasitukselle, ulkona käytettävyyttä ja pitkän aikavälin kustannuksia. Työskennellessä tyypillisillä solukkoalueen taajuusalueilla noin 700 MHz:stä noin 2,7 GHz:iin, RG-sarjan kaapelit, kuten RG6 ja RG11, ovat yleensä aluksi halvempia ja maksavat noin 30–50 prosenttia vähemmän kuin niiden LMR-vastineet. Mutta siinä on kuitenkin sudenkuoppa. Nämä RG-kaapelit aiheuttavat huomattavasti suuremman signaalihäviön pitkin kaapelilinjaa. Esimerkiksi RG6:n signaalihäviö on noin 6,9 dB 100 jalkaa kohden taajuudella 2,5 GHz, kun taas LMR 400:n häviö on samalla matkalla vain noin 3,9 dB. Tämä ero saa erityisen merkityksen, kun käsitellään makroasemien yhteydessä yleisiä pitkiä kaapelinvetoja, koska se vaikuttaa suoraan kattausaluetta ja lisää mahdollisuutta häiriöongelmiin. Toinen huomioitava tekijä on taipuisuus. LMR-kaapelit on varustettu aaltomaisella kuparikuorilla ja sileällä polymeeriverhoululla, mikä mahdollistaa niiden taipumisen tiukempiin kaariin. LMR 400 voi ottaa käännöksiä vähimmillään 1,25 tuuman säteellä, kun taas RG11 vaatii vähintään 3 tuuman säteen. Tämä tekee kaiken eron asennuksessa kapeissa tiloissa, joissa useita antennia on tiukasti pakattu yhteen, ja auttaa estämään liiallisesta taipumisesta aiheutuvaa vauriota, joka muuten voisi johtaa myöhempään toimintahäiriöön.

RG-sarjan kaapelit toimivat edelleen hyvin lyhyille sisäisiin asennuksiin rakennuksissa tai DAS-haaroille, mutta kun puhutaan ulkoisista BTS-syöttökaapeleista, jotka kohtaavat ankaria olosuhteita, LMR erottautuu selkeästi. Nämä kaapelit kestävät äärimmäisiä lämpötiloja –55 asteesta Celsius-asteikolla +85 asteeseen Celsius-asteikolla, lisäksi ne ovat UV-säteilylle kestäviä ja ylläpitävät yleensä hyvää PIM-suorituskykyä noin –150 dBc:n tasolla. Säänsuojelu on erityisen tärkeää, kun nämä kaapelit ovat jatkuvasti alttiina kosteudelle ja auringonvalolle ulkona. Myös investoinnin tuottoa kannattaa harkita. Useimmat insinöörit huomaavat, että LMR-kaapeleihin tehty alun perin hieman suurempi sijoitus maksaa itsensä pitkällä aikavälillä: signaalit pysyvät vahvempana pidempään, korvauksia tarvitaan harvemmin ja teknikot käyttävät vähemmän aikaa ongelmien korjaamiseen tulevaisuudessa verrattuna niitä alun perin halvemmilta vaikuttaviin vaihtoehtoihin.

Ympäristökestävyys ja liittimien integrointi ulkoisiin BTS-paikkoihin

UV-kestävyys, lämpötilan kestävyys ja PIM-turvalliset verhousmateriaalit (PE, LSZH ja aaltomainen kupari)

Kun BTS-koaksiaalikaapeleita käytetään ulkona, ne joutuvat kohtaamaan päivittäin kaikenlaisia ympäristöhaasteita. Ajattele kovaa auringonvaloa, joka paistaa niitä, äärimmäisiä lämpötilamuutoksia – jääpakkasta yöstä helteiseen päivään – vettä, joka pääsee sisään pienistä halkeamista, sekä jatkuvaa kitkaa vastapinnan vastaan. Siksi monet asentajat valitsevat niille polyeteeniverhoilun, joka tarjoaa erinomaisen UV-suojan. Nämä materiaalit säilyttävät joustavuutensa myös silloin, kun lämpötila laskee pakastepisteeseen tai nousee huomattavasti yli kehon lämpötilan, mikä toimii erinomaisesti useimmissa solukantomastojen asennuksissa. Paikoissa, joissa tulvaarat voivat olla ongelma – esimerkiksi rakennusten sisällä tai kaupunkien kadun alla – tarvitsemme erityisiä vähäpäisyyttä ja nollahalogeenisuutta tuottavia versioita. Ne vähentävät vaarallisten kaasujen muodostumista, jos jotain menee pieleen. Älkäämme unohdako myöskään näiden kaapeleiden sisällä olevaa metallisen suojauksen toimintaa. Hyvä ulkoverhoilu ei riitä. Meidän on käytettävä asianmukaista ripppukuparin suojaa, jotta passiivinen intermodulaatio pysyy hyvin alle -140 dBc:n. Tämä on erinomaisen tärkeää 5G-verkoille, sillä muuten häiriöt voivat peittää heikot signaalit kokonaan tai häiritä ohjausviestintää täysin. Oikean ulkoverhoilun ja sisäisen suojauksen yhdistelmän valinta vaikuttaa suuresti näiden kalliiden komponenttien kestoon, erityisesti meren lähellä, missä suolainen ilma syö materiaaleja, tai teollisuusalueilla, joissa on alttiina koville kemikaaleille.

N-tyyppiset, 7/16 DIN - ja 4.3–10 -liittimet: taajuusrajoitukset, vääntömomenttispecifikaatiot ja intermodulaatiotekniset ominaisuudet

Liittimet toimivat sekä sähköisinä yhteyksinä että esteinä ympäristötekijöille, ja niiden suorituskyky vaikuttaa merkittävästi koko järjestelmän luotettavuuteen. Otetaan esimerkiksi N-tyyppiset liittimet. Ne toimivat signaaleilla, joiden taajuus on noin 11 GHz:n suuruusluokkaa, ja niitä käytetään laajalti testilaitteissa ja pienitehoisissa hyppypajoissa. Mutta tässä on kuitenkin yksi ongelma: niiden tiukentamiseen tarvitaan tarkka vääntömomentti välillä 15–20 newtonmetriä, jotta ne säilyttävät vesitiukkuutensa (IP67-luokitus) ja vakaa 50 ohmin impedanssi. Kun käsitellään tehokkaita makroverkon tukiasemien lähettimiä, jotka tuottavat 500 wattiin tai enemmän, insinöörit käyttävät mieluummin 7/16 DIN -liittimiä. Nämä liittimet torjuvat häiriöitä paremmin (−155 dBc on melko hyvä arvo) ja kestävät signaaleja, joiden taajuus on enintään 7,5 GHz. Heikkoutena on kuitenkin niiden suurempi koko, mikä tekee niistä sopimattomia tiukkoihin pienesolujen koteloihin. Sitten on uudempi 4,3–10 -liitin, joka on suunniteltu erityisesti tämän 5G-verkkojen laajentamisen tarpeisiin. Se torjuu epätoivottuja signaaleja erinomaisesti (−162 dBc kukaan?) ja toimii luotettavasti 6 GHz:n taajuudella sekä mahtuu myös kapeisiin tiloihin ilman, että toistettavuus kärsii. Riippumatta siitä, mikä liitin asennetaan, oikean vääntömomentin saavuttaminen on kuitenkin erinomaisen tärkeää. Liian löysä tiukennus mahdollistaa veden pääsyn sisälle ja aiheuttaa korroosion ongelmia. Liian tiukka tiukennus puolestaan aiheuttaa sisäisiä vaurioita, kuten taipuneita keskuspisteitä ja vahingoittunutta suojakalvoa, mikä heikentää signaalinlaatua (VSWR nousee yli 1,5:1) ja aiheuttaa monenlaisia luotettavuusongelmia järjestelmän myöhempissä vaiheissa.

UKK

Mikä on 50 ohmin impedanssin merkitys BTS:n RF-liitännöissä?

50 ohmin impedanssin ylläpitäminen on ratkaisevan tärkeää perusaseman (BTS) RF-liitännöissä tehonsiirron optimoimiseksi ja signaalien heijastumisen vähentämiseksi. Se varmistaa yhteensopivuuden ja luotettavuuden eri komponenttien, kuten antennien, vahvistimien ja siirtolinjojen, välillä kansainvälisten standardien, kuten IEC 61196 ja IEEE 1162, mukaisesti.

Kuinka VSWR vaikuttaa järjestelmän luotettavuuteen tiukkojen BTS-asennusten yhteydessä?

VSWR-arvo, joka ylittää 1,5:1, voi vaikuttaa merkittävästi järjestelmän luotettavuuteen, erityisesti tiukkojen kaupunkialueiden asennuksissa. Korkeat VSWR-arvot lisäävät heijastunutta energiaa, mikä aiheuttaa paikan epäonnistumisia ja passiivista intermodulaatiota, joka vaikuttaa taajuusalueen hyötysuhteeseen. VSWR-tasojen jatkuvaa seurantaa ja ylläpitämistä kaikissa liitoskohdissa alle 1,25:1 on välttämätöntä vakaiden suorituskykyominaisuuksien varmistamiseksi.

Mitkä ovat koaksiaalikaapelin koon ja suorituskyvyn väliset kompromissit?

Suuremmat koaksiaaliset kaapelit voivat vähentää signaalin vaimenemista, mutta niiden asennus on vaikeampaa niiden jäykkyyden vuoksi. Pienemmät kaapelit ovat helpommin käsilleltä, mutta niiden käyttö saattaa vaatia korkeampaa lähetintehoa lisäsignaalihäviöiden kompensoimiseksi, mikä vaikuttaa lämmönhallintaan ja toimintaan.

Miksi LMR-kaapelit ovat suositeltavia ulkoisiin BTS-asennuksiin?

LMR-kaapelit ovat suositeltavia ulkoisiin tukiasemiin (Base Transceiver Station, BTS), koska ne tarjoavat paremman UV-suojauskyvyn, joustavuuden ja alhaisemman signaalihäviön verrattuna RG-sarjan kaapeleihin. Vaikka niiden alkuhinta on korkeampi, LMR-kaapelit tuottavat paremman tuoton sijoituksesta vähentämällä käyttöongelmia ja tarjoamalla kestävämpää suorituskykyä ankaroissa ympäristöolosuhteissa.