اهمیت فزاینده فیلترهای فعال در ارتباطات بی سیم

گسترش سریع شبکه های بی سیم، از 4G LTE تا 5G و فراتر از آن، خواسته های بی سابقه ای را در فرکانس رادیویی (RF) اجزای جلو-end قرار داده است، فیلترهایی که برای حفظ یکپارچگی سیگنال، مدیریت مداخله و فعال کردن طیف استفاده از فیلترهای فعال، که شامل عناصر تقویت کننده مانند تقویت کننده های عملیاتی یا ترانزیستورها هستند، مزایای متمایزی بیش از فیلترهای منفعل در شرایط قابلیت پردازش هوشمند و سرعت بخشیدن به استفاده از 5G ساده از سرعت می باشد.

اصول فیلترهای فعال: یک نخست

یک فیلتر فعال یک مدار الکترونیکی است که از اجزای فعال استفاده می کند - به طور معمول از نظر تاکتیکی یا ترانزیستورها - همراه با مقاومت کنندگان و خازن ها برای شکل دادن پاسخ فرکانس سیگنال، بر خلاف فیلترهای غیرفعال (که تنها به عایق ها، خازن ها و مقاومت کنندگان متکی هستند)، فیلترهای فعال می توانند به دست آوردن ولتاژ، نشان دادن ورودی بالا، عدم نفوذ و ارائه ویژگی های کم تولید، به حداقل رساندن آنها را به سیستم های پیچیده برساند.

بالات های فیلتر فعال مشترک شامل Sallen-Key معماری، چندین بازخورد (MFB) طرح ها، و فیلترهای قابل تنظیم دولتی (biquad) است که هر توپولوژی ارائه می دهد معاملات از نظر حساسیت جزء، انعطاف پذیری Q-factor و سهولت تنظیم.

عملکرد حیاتی فیلترهای فعال در شبکه های 5G

5G در سه گروه فرکانس اصلی فعالیت می کند: زیر 6 گیگاهرتز (FR1)، موج میلیمتری (FR2، 24-52 گیگاهرتز) و گروه FR3 در حال ظهور (7-24 گیگاهرتز) فیلترهای فعال چندین نقش اساسی را ایفا می کنند:

مداخله سرکوب و یکپارچگی سیگنال

در استقرار های شهری متراکم، ایستگاه های پایه و تجهیزات کاربر باید بلوک های خارج از باند را از کانال های مجاور، Wi-Fi یا سیگنال های سلولی میراث رد کنند. فیلترهای فعال با Q-factor بالا می توانند رد تیز در حالی که کاهش کم وارد شدن، ترکیبی که فیلترهای منفعل برای دستیابی به فرکانس های بالاتر تلاش می کنند.

مدیریت صدا

فیلترهای فعال می توانند برای بهبود نسبت سیگنال به نور (SNR) با تقویت سیگنال مورد نظر قبل از مراحل پردازش بعدی طراحی شوند، با این حال، عناصر فعال خود طراحی صدا حرارتی و فریبنده را معرفی می کنند، از جمله پست های کم و بهینه سازی شده و شبکه های بازخورد، برای تعادل و سر و صدا ضروری است.

پشتیبانی چند بعدی و حامل Aggregation

شبکه های 5G اغلب از تجمع حامل استفاده می کنند، ترکیب چندین باند فرکانس برای افزایش اطلاعات از طریقput. فیلترهای فعال قابل تنظیم که می توانند بین فرکانس های مرکزی در پرواز تغییر دهند، برای فعال کردن این انعطاف پذیری بدون نیاز به یک بانک فیلتر اختصاصی برای هر گروه ضروری است.

تکنولوژی های نوظهور در طراحی فیلتر فعال

فیلترهای قابل تنظیم و قابل تنظیم

قابلیت تونس یک روند کلیدی است. دیودهای وارن، آرایه های خازن را تغییر دهید و خازن های متغیر MEMS اجازه می دهند فرکانس مرکزی و تنظیمات پهنای باند را غیرفعال کنند.این اجزا فیلترهای را قادر می سازد تا با تغییر شرایط کانال، الگوهای مداخله یا تخصیص طیف سازگار شوند.

فیلترهای فعال یکپارچه برای میلیمتری

فرکانس موج میلی متری (28، 39 گیگاهرتز) چالش هایی برای طراحی فیلتر سنتی به دلیل کم جزء Q و اثرات انگل بالا ایجاد می کند. تکنیک های فیلتر فعال مانند استفاده از resoners خط انتقال با جبران مقاومت منفی، می تواند به انتخاب بالا در تراشه فیلتر های فعال در CMOS یا فرآیندهای SiGeci BiCMOS برای آنتن های فاز و سیستم های پرتو سازی و اندازه برق حساس که در آن هستند، قابل استفاده هستند.

آموزش ماشین آلات Adaptation

هوش مصنوعی به طور فزاینده ای به بهینه سازی فیلتر زمان واقعی اعمال می شود.یک شبکه عصبی می تواند نظارت بر طیف وسیعی از ظرفیت ها و تنظیم ضریب های فیلتر یا سوئیچ توپولوژی برای به حداقل رساندن نرخ کمی-تروریسم است.این رویکرد به ویژه امیدوار کننده برای رادیو شناختی و رادیو تعریف شده نرم افزار (SDRs)، که در آن چابکی لایه فیلتر باید انعطاف پذیری پایه دیجیتال را مطابقت دهد.

فیلترهای فعال در مقابل Passive: چه زمانی برای استفاده از هر

در حالی که فیلترهای فعال، تنایی و سود را ارائه می دهند، آنها همچنین مصرف برق و غیر خطی بالقوه را معرفی می کنند.در مسیرهای انتقال با قدرت بالا، فیلترهای منفعل به دلیل توانایی آنها برای کنترل ولتاژ بالا و جریان های بدون تحریف، فیلترهای فعال بیشتر در زنجیره های گیرنده، مراحل واسطه (IF) و پردازش پایه هستند.

چالش های در مواجهه با فیلترهای فعال در سیستم های نسل بعدی

فضای مجازی و خطی تجارت

اجزای فعال باعث ایجاد سر و صدا می شوند که می تواند حساسیت گیرنده را کاهش دهد، در عین حال، دستیابی به خطی بودن بالا (تفید متقابل آهسته) اغلب با سر و صدا پایین و مصرف کم قدرت، طراحان باید به دقت این اشتباهات تجاری را مدیریت کنند، اغلب با استفاده از تکنیک هایی مانند سر و صدا و چند بازخورد بالا.

مصرف انرژی

هر فیلتر فعال انرژی DC را مصرف می کند.در دستگاه های باتری مانند تلفن های هوشمند، بودجه های برق تنگ و تکنیک های طراحی کم قدرت هستند - مانند عملیات زیرپوش، سوگیری پویا و دوچرخه سواری وظیفه - مورد بررسی قرار می گیرند تا بدون قربانی کردن عملکرد، رد پای انرژی را کاهش دهند.

ادغام پیچیدگی

یکپارچه سازی فیلترهای فعال با دیگر بلوک های RF (LNA، میکسر، VCO) در یک تراشه واحد نیاز به انزوا و طرح دقیق برای جلوگیری از اتصال انگل دارد. Crosstalk بین مراحل فیلتر و مدارهای دیجیتال می تواند باعث بی ثباتی شود.

مسیر به 6G: فیلترهای فعال در Terahertz Frequencies

فراتر از 5G، 6G نرخ داده ها را در ترابیت در ثانیه، تاخیر در زیر 1 متر، و استفاده از زیر هرتز و باندهای THz (100 گیگاهرتز تا 3 هرتز) در این فرکانسها، طرح های فیلتر معمولی بر اساس عناصر توده ای به دلیل طول موج های بسیار کوچک و زیان های فیلتر فعال، مقاومت منفی، توزیع شده و استفاده از قطعات دیود (به عنوان مثال) برای دستیابی به اثرات معکوس، غیر عملی می شود.

علاوه بر این، وابستگی 6G به سطوح هوشمند، رادیو هولوگرافی هولوگرافیک و MIMO عظیم نیاز به فیلترهایی دارد که می توانند در سطح عنصر دوباره پیکربندی شوند. فیلترینگ فعال ممکن است به طور مستقیم به آرایه های آنتن تعبیه شود تا فیلتر فضایی و فرکانس به طور همزمان انجام شود.

نوآوری های مواد منفجره رانندگی Active Filter

مواد نیمه هادی جدید در حال گسترش فضای طراحی برای فیلترهای فعال هستند:

  • [Gallium Nitride] [GaN] ولتاژ و کنترل قدرت بالا را فراهم می کند، فیلترهای فعال را در فرستنده جلویی که خطی بودن و استحکام آن حیاتی است، فعال می کند.
  • در داخل-استرساتور (SOI) و SiGe ارائه عملکرد نویز بهبود یافته و فرکانس های برش بالاتر، آنها را برای فیلترهای فعال کم نور در گیرنده های موج میلیمتری ایده آل می کند.
  • تنظیم مواد 2D [FLT 1] مانند گرافن و انتقال فلز دیچالکوژنید ممکن است منجر به فیلترهای فعال فوق العاده کم انرژی با چابکی فرکانس بی سابقه شود.

برنامه های کاربردی و مطالعات موردی

فیلترهای فعال در حال حاضر در زیرساخت 5G مستقر شده اند، به عنوان مثال، برخی از ایستگاه های پایه ماکرو از فیلترهای باند فعال قابل تنظیم مجدد برای کنترل تجمع حامل در سراسر FDD و TDD استفاده می کنند.در سیستم های MIMO عظیم، فیلترهای فعال با تغییر فاز یکپارچه فعال با سوئیچ های فاز یکپارچه فعال در جلو، کاهش پیچیدگی backhaul دیجیتال.

خودرو 5G (C-V2X) از فیلترهای فعال بهره می برد که می تواند سیگنال های متحرک را از سایر وسایل نقلیه یا واحدهای جاده ای رد کند و به طور مشابه پایانه های ارتباطی ماهواره ای برای شبکه های غیر سنتی (NTN) از فیلترهای فعال سازگار برای کنترل تغییرات داپللر و مداخله از چندین صورت فلکی استفاده کند.

مسیر های تحقیقاتی آینده

  • فیلترهای N-Path با Bootstrapping فعال: گسترش فرکانس عملیاتی فیلترهای N-path (که یک مخزن LC منفعل را به فرکانس بالاتر مخلوط می کند) با استفاده از سوئیچ های فعال و به دست آوردن مراحل برای پوشش باندهای میلیمتری.
  • فیلترهای فعالNeuromorphic [FLT 1]: Mimicking شبکه های عصبی بیولوژیکی برای ایجاد فیلترهایی که بدون به روز رسانی الگوریتم صریح یاد می گیرند و سازگار می شوند.
  • فیلترهای فعال فعال (FLT:1) : استفاده از اتصالات Josephson یا سایر دستگاه های کوانتومی برای دستیابی به عملکرد صدای نزدیک صفر در دمای گریه برای تکرار کننده های ارتباطات کوانتومی.

نتیجه گیری

فیلترهای فعال صرفاً جزء پشتیبانی در سیستم های بی سیم نیستند بلکه تبدیل به یک فعال مرکزی از چابکی و عملکرد مورد نیاز توسط 5G و شبکه های آینده می شوند، زیرا فرکانس ها افزایش می یابند، بودجه های برق سفت تر می شوند و محیط های مداخله پیچیده تر می شوند؛ توانایی شکل دادن به طور پویا پاسخ فرکانس با نویز پایین و وضوح بالا، پیشرفت های مداوم در مدار بالا، فن آوری های یکپارچه سازی، و نظارت بر قابلیت های جدید را برای باز کردن اطلاعات و بی سیم.