ВЧ-питающий кабель: расчёт потерь для антенных мачт

Подключение наземного передающего оборудования к антеннам, установленным на вершине вышки, представляет собой один из крупнейших потенциальных источников потерь мощности в любой беспроводной сети. Для антенных вышек высотой от 15 до 90 метров суммарное ослабление сигнала в ВЧ-фидерном кабеле может легко превысить 10 дБ. На практике потеря 10 дБ означает, что более 90 процентов выходной мощности передатчика преобразуется в рассеиваемое тепло ещё до достижения излучающих элементов.

Расчёт точного бюджета потерь на антенной вышке является обязательным для проектировщиков телекоммуникационных сетей, инженеров вещательных систем и операторов сетей. Сбалансированность общего ослабления фидерного кабеля с его физической массой, ветровой нагрузкой и бюджетом монтажа обеспечивает долгосрочную надёжность соединений в коммерческих сотовых сетях, системах связи экстренных служб и частных беспроводных сетях.

Понимание механизмов ослабления сигнала в фидерном кабеле

Деградация сигнала внутри ВЧ-фидерного кабеля обусловлена двумя различными физическими причинами: потерями в проводнике и диэлектрическими потерями.

• Потери в проводнике : Вызван сопротивлением поверхностного эффекта вдоль внешней поверхности центрального проводника и внутренней стенки экрана. Потери в проводнике возрастают пропорционально квадратному корню из частоты.
• Диэлектрические потери : Вызван поглощением молекулярной энергии внутри изоляционного материала, разделяющего проводники. Диэлектрические потери линейно возрастают с частотой.

На микроволновых частотах выше 1 ГГц диэлектрическое поглощение определяет суммарное затухание фидерного кабеля. Стандартные гибкие коаксиальные кабели, такие как RG-213 или LMR-400, подходят для коротких соединительных линий длиной менее 100 футов на более низких частотах. Однако при проектировании высоких антенных мачт требования к бюджету потерь предъявляют необходимость применения коаксиальных линий с воздушным диэлектриком или с низкопотерями и пенопластовым диэлектриком.

Гофрированный медный коаксиальный кабель, широко известный как кабель heliax, обеспечивает меньшее затухание на погонный фут по сравнению с гибкими кабелями с оплёткой. Например, кабель heliax диаметром 7/8 дюйма демонстрирует примерно 1,5 дБ затухания фидерного кабеля на 100 футов при частоте 900 МГц, тогда как стандартный кабель LMR-400 демонстрирует при тех же условиях примерно 3,9 дБ.

Сравнение показателей затухания фидерного кабеля

Выбор подходящего ВЧ-фидерного кабеля требует баланса между физическими размерами кабеля, минимальным радиусом изгиба и показателями затухания в рабочих диапазонах частот.

Анализ этих значений ослабления подчёркивает важность выбора коаксиальных кабелей типа heliax с низким уровнем потерь при прокладке по высоте на большие расстояния. Замена гибкого коаксиального кабеля на гофрированный кабель диаметром 7/8 дюйма значительно повышает мощность, излучаемую антенной, на вертикальном участке длиной 150 футов.

Расчёт бюджета потерь в антенной башне

Оценка установки антенной башни высотой 150 футов для Wi-Fi-канала обратной связи на частоте 2,4 ГГц иллюстрирует влияние выбора кабеля на общий запас уровня сигнала в системе.

Предполагая выходную мощность передатчика 30 дБм (1 Вт):

• Путь с гибким коаксиальным кабелем : Использование гибкого коаксиального кабеля LMR-400 UF даёт коэффициент затухания линии питания 6,6 дБ на 100 футов на частоте 2,4 ГГц, что соответствует суммарному затуханию линии 9,9 дБ на участке длиной 150 футов. Добавление 1,0 дБ для учёта потерь на вводе разъёмов (по 0,5 дБ на каждый из двух соединений) даёт общее затухание пути 10,9 дБ. Мощность, фактически поступающая в точку питания антенны, снижается до 19,1 дБм (81 мВт).
• Путь с низкопотеряным гофрированным кабелем замена основного кабеля на гофрированный коаксиальный кабель Heliax диаметром 1/2 дюйма снижает затухание линии до 3,2 дБ на 100 футов при частоте 2,4 ГГц, что даёт суммарное затухание линии 4,8 дБ на длине 150 футов. Учёт потерь в разъёмах (1,0 дБ) приводит к общему затуханию тракта 5,8 дБ. Чистая мощность, поступающая на вход антенны, возрастает до 24,2 дБм (263 мВт).

Модернизация основного ВЧ-фидерного кабеля увеличивает эффективную мощность, подводимую к излучающим элементам антенны, более чем в три раза, превращая нестабильное беспроводное соединение в надёжную линию связи.

Оценка вариантов применения усилителей на вершине вышки

Если расчёт бюджета потерь в линии на вышке показывает чрезмерное затухание, установка усилителя на вершине вышки (TTA) представляет собой альтернативный способ сохранения запаса по уровню сигнала в линии связи. Устанавливаемый непосредственно на вершине вышки вблизи антенны, TTA усиливает слабые входные сигналы до того, как они подвергнутся затуханию в фидерном кабеле при спуске вниз к приёмникам базовой станции.

Хотя усилитель верхней части башни повышает чувствительность приёмника восходящей линии, он увеличивает затраты на оборудование, требует подачи постоянного тока непосредственно на башне и создаёт потенциальную точку отказа, подверженную ударам молнии и экстремальным погодным условиям. Выбор коаксиального кабеля с меньшими потерями на этапе первоначального строительства остаётся наиболее надёжной основной стратегией оптимизации общей производительности канала.

Качество разъёмов и методы их заделки

Даже коаксиальный кабель высшего качества теряет свои характеристики при использовании плохо установленных разъёмов. Слабое соединение с развальцовкой или загрязнённая контактная поверхность на гофрированном коаксиальном кабеле могут добавить от 0,5 до 1,0 дБ дополнительных вносимых потерь и вызвать сильные отражения с высоким КСВН, возвращающиеся в усилители высокой мощности.

• Выбор интерфейса питание базовых станций высокой мощности обычно осуществляется через герметичные разъёмы типа 7–16 DIN, N-типа или малочувствительные к паразитным излучениям разъёмы типа 4,3–10, специально разработанные для эксплуатации на открытом воздухе с учётом термического расширения.
• Точная Сборка правильная ориентация фланца, точный момент затяжки зажимов и использование герметичных защитных чехлов предотвращают проникновение влаги, которое со временем ухудшает диэлектрические свойства кабелей.

Производственное совершенство и возможности цепочки поставок

Развертывание беспроводных линий связи на большие расстояния требует надежного межсоединительного оборудования, рассчитанного на эксплуатацию в суровых климатических условиях. Современные телекоммуникационные сети зависят от высокоточных радиочастотных переходных кабелей, герметичных оконечных соединений и адаптеров разъёмов с низкими потерями для поддержания запаса мощности линии связи.

Специализированные поставщики коаксиального оборудования, такие как WORLDPEAK, поддерживают глобальное строительство инфраструктуры с помощью специальных радиочастотных кабельных сборок и точных вариантов разъёмов. Обладая полным циклом станков с ЧПУ, автоматизированного гальванического покрытия и комплексной инфраструктуры тестирования с использованием векторных анализаторов цепей, WORLDPEAK поставляет специальные оконечные соединения для кабелей типа heliax и низкочастотные ПИМ-переходные сборки, точно соответствующие требованиям конкретных объектов. Строго соблюдая международные стандарты систем управления качеством ISO, WORLDPEAK поставляет прочные коаксиальные решения, прошедшие заводские испытания, заказчикам из телекоммуникационного, вещательного и оборонного секторов по всему миру.