При развертывании коммерческих сетей 5G технологии «формирования луча» (beamforming) и «Massive MIMO» позволяют базовым станциям передавать высокоскоростные данные прямо на ваш смартфон. Но как базовая станция берет один высокочастотный ВЧ-сигнал и идеально распределяет его между десятками или даже сотнями отдельных антенных элементов?
Ответ кроется в высоконадежном пассивном ВЧ-компоненте — делителе мощности Уилкинсона.
Мы предлагаем решения до 40 ГГц.
Проблема в фидерных сетях антенн 5G
В фазированной антенной решетке (ФАР) 5G радиочастотная фидерная сеть должна равномерно распределять мощность между множеством излучающих элементов. Чтобы гарантировать точное управление лучом, сигнал, достигающий каждой антенны, должен иметь абсолютно одинаковую амплитуду и фазу.
Что еще более важно, сеть должна предотвращать «перекрестные помехи». Если один антенный элемент отражает мощность из-за рассогласования (например, из-за помех окружающей среды или повреждения), нельзя допустить, чтобы этот отраженный сигнал пошел обратно и нарушил работу соседних антенных элементов. Это требование высокой изоляции между портами является главной причиной, почему инженеры предпочитают конструкцию Уилкинсона простым Т-образным разветвителям.
Почему именно делитель мощности Уилкинсона?
Делитель мощности Уилкинсона — это пассивная микроволновая схема, используемая для разделения одного входного сигнала на два (или более) идентичных выходных сигнала. В стандартной коммерческой ВЧ-системе 50 Ом он использует две линии передачи длиной в четверть волны (часто с импедансом 70,7 Ом) и критически важный изолирующий резистор 100 Ом, соединяющий два выходных порта.
Эта уникальная архитектура обеспечивает три огромных преимущества для сетей 5G:
1. Превосходный фазовый и амплитудный баланс
Поскольку делитель Уилкинсона полностью симметричен, ВЧ-сигнал, поступающий на входной порт, делится на две идентичные половины. Они выходят из выходных портов в одно и то же время (фаза) и с абсолютно одинаковым уровнем мощности (амплитуда). Эта симметрия является основой точного формирования луча в 5G.
2. Высокая изоляция между выходами (Магия резистора)
Гениальность конструкции Уилкинсона заключается в изолирующем резисторе. В нормальном режиме работы, поскольку напряжение на обоих выходных портах абсолютно одинаковое, ток через резистор не течет. Он по сути «исчезает» и не рассеивает мощность.
Однако, если один антенный элемент в ФАР 5G отражает сигнал обратно, этот паразитный сигнал достигает выходного порта. Вместо того, чтобы перетекать в другой выходной порт и вызывать помехи, отраженная мощность создает разность потенциалов и безопасно поглощается (рассеивается в виде тепла) 100-омным резистором. Это защищает остальную часть антенной решетки.
3. Согласованный импеданс на всех портах
В отличие от более простых разветвителей, делитель Уилкинсона гарантирует, что все три порта (один вход, два выхода) остаются идеально согласованными с волновым сопротивлением системы (обычно 50 Ом). Это минимизирует обратные потери (Return Loss) и обеспечивает максимальную передачу мощности от усилителя к антеннам.
Масштабирование: Корпоративная фидерная сеть
На реальных базовых станциях 5G сигнал не просто делится на два. Инженеры каскадируют множество делителей мощности Уилкинсона в «древовидную» структуру, известную как корпоративная фидерная сеть (Corporate Feed Network).
Один сигнал делится на два, эти два делятся на четыре, затем на восемь, шестнадцать и так далее. Поскольку конструкция Уилкинсона обеспечивает такую высокую изоляцию и низкие вносимые потери, это каскадирование может питать массивную 64- или 128-элементную ФАР с невероятной точностью.
Заключение
В то время как активные компоненты, такие как усилители на основе нитрида галлия (GaN), привлекают большую часть внимания в оборудовании 5G, пассивный делитель мощности Уилкинсона является невоспетым героем. Обеспечивая равное деление мощности, идеальный фазовый баланс и критически важную изоляцию, он гарантирует, что коммерческие фазированные решетки могут фокусировать ВЧ-энергию именно там, где это необходимо.
Часто задаваемые вопросы (FAQ)
В1: Можно ли использовать делитель мощности Уилкинсона как сумматор?
Да. Поскольку это пассивное и взаимное устройство, оно может работать в обратном направлении. Вы можете подать два синфазных сигнала одинаковой амплитуды на выходные порты, и они эффективно сложатся на входном порте. Это часто используется в приемных цепях 5G.
В2: Что произойдет, если изолирующий резистор выйдет из строя?
Если резистор поврежден или удален, устройство по-прежнему будет делить сигнал, но оно потеряет всю изоляцию между выходными портами. Любые отражения от антенны будут свободно мешать соседним каналам, что серьезно ухудшит характеристики антенны.
В3: Используются ли делители Уилкинсона только для деления на 2?
Хотя деление на 2 является наиболее распространенным и фундаментальным строительным блоком, концепция Уилкинсона может быть адаптирована для деления на N каналов (например, делители на 3 или 4 направления) с использованием более сложных радиальных конструкций и нескольких изолирующих резисторов.