RF napájecí kabel: rozpočet ztrát pro anténní věže

Připojení vysílacího zařízení umístěného na úrovni země k anténám umístěným na vrcholu věže představuje jeden z největších potenciálních zdrojů ztráty výkonu v jakékoli bezdrátové síti. U anténních věží výšky mezi 15 a 90 metry se kumulativní útlum v RF napájecím kabelu snadno může přesáhnout 10 dB. V praxi ztráta 10 dB znamená, že více než 90 procent výstupního výkonu vysílače se přemění na ztrátové teplo ještě před tím, než signál dosáhne vyzařovacích prvků.

Výpočet přesného rozpočtu ztrát pro anténní věž je nezbytný pro plánovače telekomunikačních sítí, inženýry vysílacích zařízení a provozovatele sítí. Vyvážení celkového útlumu napájecího kabelu proti fyzické hmotnosti kabelu, zatížení větrem a rozpočtu na instalaci zajišťuje dlouhodobou spolehlivost spojení v komerčních mobilních sítích, systémech veřejné bezpečnosti i soukromých bezdrátových instalacích.

Principy útlumu v napájecím kabelu

Zhoršení signálu v RF napájecím kabelu má dva odlišné fyzikální původce: ztráty vodiče a dielektrické ztráty.

• Ztráta ve vodiči : Způsobeno odporem způsobeným povrchovým jevem podél vnějšího povrchu středního vodiče a vnitřní stěny stínění. Ztráty ve vodiči rostou úměrně druhé odmocnině frekvence.
• Dielektrická ztráta : Způsobeno absorpcí molekulární energie uvnitř izolačního materiálu oddělujícího vodiče. Dielektrické ztráty rostou lineárně s frekvencí.

Při mikrovlnných frekvencích nad 1 GHz převládá dielektrická absorpce nad celkovým útlumem napájecího kabelu. Standardní pružné koaxiální kabely, jako jsou RG-213 nebo LMR-400, jsou vhodné pro kratší propojovací vedení do 30 metrů při nižších frekvencích. Avšak náročné požadavky na rozpočet ztrát u vysokých anténních stožárů vyžadují vzduchové dielektrikum nebo nízkoztrátové pěnové koaxiální vedení.

Profilované měděné koaxiální vedení, běžně známé jako heliaxový kabel, poskytuje nižší útlum na stopu než pružné alternativy se stíněním z tkaniny. Například heliaxový kabel o průměru 7/8 palce vykazuje přibližně 1,5 dB útlumu napájecího kabelu na 30 metrů při 900 MHz, zatímco standardní kabel LMR-400 vykazuje přibližně 3,9 dB za stejných podmínek.

Porovnání útlumu napájecího koaxiálního kabelu

Výběr vhodného RF napájecího kabelu vyžaduje vyvážení fyzické velikosti kabelu, minimálního poloměru ohybu a útlumových parametrů v rámci provozních frekvenčních pásem.

Přezkum těchto útlumových hodnot ukazuje, proč je důležité pro delší svislé věžové trasy zvolit koaxiální kabelové struktury s nízkým útlumem. Přechod od flexibilního koaxiálního kabelu ke 7/8-palcovému žebrovanému kabelu výrazně zvyšuje vyzářený výkon antény na svislém úseku délky 150 stop.

Výpočet rozpočtu útlumu anténní věže

Hodnocení instalace anténní věže o výšce 150 stop pro Wi-Fi zpětní spoj pracující na frekvenci 2,4 GHz ilustruje, jak výběr kabelu ovlivňuje celkové linkové rozpětí systému.

Za předpokladu výstupního výkonu vysílače 30 dBm (1 W):

• Cesta s flexibilním koaxiálním kabelem : Použití flexibilního koaxiálního kabelu LMR-400 UF poskytuje útlum napájecího kabelu 6,6 dB na 100 stop při frekvenci 2,4 GHz, což znamená útlum 9,9 dB na úseku 150 stop. Přičtením 1,0 dB pro zohlednění útlumu spojovacích konektorů (dva rozhraní po 0,5 dB každé) vznikne celkový útlum cesty 10,9 dB. Čistý výkon dodaný do napájecího bodu antény klesne na 19,1 dBm (81 mW).
• Cesta s nízkou ztrátou – žebrovaný kabel nahrazení hlavního vedení kabelovým vodičem Heliax s vlnitou strukturou o průměru 1/2 palce snižuje útlum vedení na 3,2 dB na 100 stop (30,48 m) při frekvenci 2,4 GHz, což znamená celkový útlum vedení 4,8 dB na délce 150 stop (45,72 m). Připočtením 1,0 dB útlumu spojek vznikne celková ztráta trasy 5,8 dB. Výsledný výkon dodávaný do napájecího bodu antény se zvýší na 24,2 dBm (263 mW).

Výměna hlavního RF napájecího kabelu zvyšuje efektivní výkon dodávaný do vyzařovacích prvků antény více než třikrát a tak přeměňuje slabé bezdrátové spojení na spolehlivý a robustní link.

Hodnocení implementací zesilovačů umístěných na vrcholu stožáru

Je-li rozpočet ztrát anténového stožáru příliš vysoký, lze pro zachování rezervy spoje nainstalovat zesilovač umístěný na vrcholu stožáru (TTA). Tento zesilovač je umístěn přímo na vrcholu stožáru v blízkosti antény a zesiluje slabé vstupní signály ještě před tím, než dojde k jejich útlumu v napájecím kabelu během dlouhého sestupu ke stanicím přijímačů v základně.

Zatímco zesilovač umístěný na vrcholu věže zlepšuje citlivost přijímače pro výchozí spojení, zvyšuje náklady na další hardware, vyžaduje vložení stejnosměrného napájení na věži a vytváří potenciální bod poruchy vystavený bleskům a extrémním povětrnostním podmínkám. Výběr RF napájecího kabelu s nižšími ztrátami během počáteční výstavby zůstává nejspolehlivější primární strategií pro optimalizaci celkového výkonu spojení.

Kvalita konektorů a postupy ukončování

I kabel heliax nejvyšší kvality ztrácí výkon, je-li spojen s špatně nainstalovanými konektory. Uvolněné závitové spojení nebo nečistý styčný povrch u žebrovaného RF napájecího kabelu může způsobit dodatečné vložené ztráty 0,5 až 1,0 dB a vyvolat vysoké odrazy VSWR zpět do vysokovýkonových zesilovačů.

• Výběr rozhraní : Napájení vysokovýkonových základnových stanic obvykle využívá počasím utěsněných rozhraní konektorů 7-16 DIN, typu N nebo nízkopIM rozhraní 4.3-10, která jsou navržena tak, aby odolala tepelnému roztažení ve venkovním prostředí.
• Přesná montáž správné zarovnání flíčku, správný utahovací moment svěrného spoje a ochranné krytky odolné proti počasí zabrání vniknutí vlhkosti, která postupně degraduje dielektrika kabelů.

Výrobní excelence a kapacity dodavatelského řetězce

Nasazení bezdrátových spojů na dlouhé vzdálenosti vyžaduje spolehlivý připojovací hardware navržený tak, aby odolal náročným environmentálním podmínkám. Moderní telekomunikační sítě závisí na přesně navržených RF napájecích kabelových propojkách, utěsněných koncovkách odolných proti počasí a adaptorech konektorů se sníženými ztrátami, aby byly zachovány mezery v provozních parametrech systému.

Specializovaní dodavatelé koaxiálního zařízení, jako je WORLDPEAK, podporují globální výstavbu infrastruktury pomocí přizpůsobených RF napájecích kabelových sestav a přesných možností konektorů. WORLDPEAK disponuje kompletní CNC obráběcí výrobou, automatickým pokovováním a plnou infrastrukturou pro testování pomocí vektorového analyzátoru sítí a dodává přizpůsobené ukončení heliax kabelů a nízkopimové přechodové sestavy přesně podle požadavků na místě. Dodržováním přísných mezinárodních systémů řízení kvality ISO WORLDPEAK dodává odolné koaxiální řešení, která jsou továrně testována, zákazníkům v oborech telekomunikací, vysílání a obrany po celém světě.