עתידן של מסננים פעילים ב-5g ומעבר לטכנולוגיות אלחוטיות

החשיבות הגוברת של פילטרים פעילים בתקשורת אלחוטית

ההתרחבות המהירה של רשתות אלחוטיות, מ- 4G LTE ועד 5G ומעבר, הציבה דרישות חסרות תקדים בתדר רדיו (RF) מרכיבים הקדמיים.בין אלה, המסננים הם קריטיים לשמירה על שלמות אותות, ניהול התערבות, ומאפשרים שימוש יעיל בספקטרום. פילטרים פעילים, אשר משלבים אלמנטים כגון מגבר תפעולי או טרנסיסטורים, מציעים יתרונות ברורים על מסננים פסיביים במונחים של יכולת, וקיבולת פיתוח של 5G היא יעילה להגדלת אותות כגון עיבוד יעיל.

מימון של מסננים פעילים: פריים

מסנן פעיל הוא מעגל אלקטרוני המשתמש רכיבים פעילים - באופן קדחתני או transistors - לצד מתנגדים ו capacitors כדי לעצב את התגובה התדירות של אות.בניגוד מסננים פסיביים (אשר מסתמכים רק על אינדוקטורים, capacitors, ומתנגדים), מסננים פעילים יכולים לספק רווח מתח, להפגין תנופה גבוהה, ולהציע פלט נמוך.

פילטר פעיל משותף להתנצלות כוללים את ה-FLT:0 sallen-KeyveFLT:1 אדריכלות, עיצובים רבים-feedback (MFB) ופילטרים בעלי יכולת (הידוע) בכל טופולוגיה מציעה עצירות מסחר במונחים של רגישות, גמישות של Q-factor, וקלות של כוונון.

פונקציות קריטיות של פילטרים פעילים ב-5G Networks

5G פועל על פני שלוש להקות תדר עיקריות: תת--6 GHz (FR1), מילימטר גלי (FR2, 24-52 GHz), והלהקה המתפתחת של FR3 (7–24 GHz).

דחיסות וזיהוי אותות

בפריסה עירונית צפופה, תחנות בסיס וציוד משתמש חייבים לדחות חוסמי פס מערוצים סמוכים, Wi-Fi, או אותות תאיים מורשת. פילטרים פעילים עם Q-factors גבוהים יכולים לספק דחייה חדה תוך שמירה על אובדן כניסה נמוך, שילוב שפילטרים פסיביים נאבקים להשיג בתדרים גבוהים יותר.

ניהול רעש

מסננים פעילים יכולים להיות נועדו לשפר את יחס האות-ל-אין (SNR) על ידי הגדלת האות הרצוי לפני שלבים עיבוד מאוחר יותר.עם זאת, האלמנטים הפעילים עצמם מציגים רעש תרמי ו flicker. עיצוב זהיר, כולל דגימות בעלות ערך נמוך ורשתות משוב אופטימיזציה, יש צורך כדי להשיג ורעש.

תמיכה ב- Multi-Band ו-Comy Aggregation Support

רשתות 5G לעתים קרובות להשתמש ב-Aggregation של המוביל, שילוב של להקות תדר מרובים כדי להגדיל את הנתונים באמצעותput. מחדש פילטרים פעילים שניתן לעבור בין תדרי מרכז על זבוב הם חיוניים כדי לאפשר גמישות זו מבלי לדרוש בנק סינון ייעודי לכל להקה.

טכנולוגיות מתפתחות בעיצוב Active Filter Design

Reconfigurable ו-Tunable Filters

יכולת היא מגמה מרכזית. Varactor diodes, צנרת Capacitor, ו- MEMS משתנים capacitors לאפשר התאמות של תדר מרכז ורוחב הפס. רכיבים אלה מאפשרים לסננים להסתגל לשינויים בתנאי ערוצים, דפוסים הפרעה או הקצאה. לדוגמה, תא קטן 5G עשוי להשתמש מסנן פעיל טונה כדי למנוע התערבות עם מכ"ם צבאי שפועל בתזמורת הסמוכה.

Integrated Active Filter for mmWave

תדרי מולטימדיה-גלי (27, 39 GHz) מציבים אתגרים עבור עיצוב מסנן מסורתי בשל רכיב נמוך Q ואפקטים קצביים גבוהים. טכניקות מסנן Active סינון, כגון שימוש ב resonators קו שידור עם פיצוי התנגדות שלילית, יכול להשיג אופטימיזציה גבוהה על שבב. פילטרים פעילים משולבים ב CMOS או SiGe BCMOS תהליכים הופכים להיות קיימא עבור אנטנה בשלבי-רי מערכות ייצור, שבו הם בגודל וצריכת כוח קריטי.

הסתגלות Machine Learning-Driven

אינטליגנציה מלאכותית מוחלת יותר ויותר על אופטימיזציה בזמן אמת מסנן.רשת עצבית יכולה לפקח על דיקור ספקטרלי ולהתאים את קידוד מסנן או לעבור להתנצלות כדי למזער את שיעור ה- bit-טרור. גישה זו מבטיחה במיוחד עבור רדיו קוגניטיבי ורדיוים המוגדרים תוכנה (SDRs), שבו גמישות של שכבת המסנן חייבת להתאים את הגמישות של הבסיס הדיגיטלי.

Active vs. Passive Filters: מתי להשתמש בכל אחד

בעוד מסננים פעילים מציעים טונה ורווח, הם גם מציגים צריכת חשמל ופוטנציאל שאינם לינאריות.בדרים בעוצמה גבוהה, מסננים פסיביים נשארים את העבודה בשל יכולתם להתמודד עם מתחים גבוהים וזרמים ללא עיוותים.פילטרים פעילים נמצאים יותר נפוץ בשרשראות מקלט, ביניים- ⁇ (IF) ועיבוד בסיס.הבחירה בין פעיל ופאסיבי תלוי בתדירות, רמת כוח, דרישות לינאריות, ומגבלות מערכת אינטגרציה.

אתגרים העומדים בפני מסננים פעילים במערכות הבאות

רעשים וקוויריות מסחר-offs

רכיבים פעילים מייצרים רעש שיכול להפיג את הרגישות של המקלט.באותו זמן, להשיג לינאריות גבוהה (עיוותים נמוכים בין-ממדיים) לעתים קרובות סכסוכים עם רעש נמוך וצריכת חשמל נמוכה. מעצבים חייבים לנהל בזהירות את ההפקות המסחריות האלה, לעתים קרובות באמצעות טכניקות כמו ביטול רעש והנקה מרובה-back להתנצלות.

כוח

כל מסנן פעיל צורכת כוח DC.במכשירים מתוזמנות סוללות כמו טלפונים חכמים, תקציבי חשמל הדוקים.טכניקות עיצוב כוח נמוך - כגון ניתוח תת-רססן, הטיה דינמיות, ומחזור חובה - נחקרים כדי להפחית את טביעת הרגל האנרגיה ללא ביצוע הקרבה.

מורכבות

הגדלת מסננים פעילים עם בלוקים אחרים RF (LNA, ערבוב, VCO) על שבב יחיד דורש בידוד קפדני הפריסה כדי למנוע הפיכה פרסיטית.קרוסטור בין שלבים מסנן מעגלים דיגיטליים יכול לגרום לאי יציבות.אריזה מתקדמת ומיקרוגל משולב מעגל משולב (MMIC) שיטות עיצוב הם חיוניים.

הדרך ל-6G: פילטרים פעילים ב-Tahertz Frequencies

מעבר 5G, 6G צופה שיעור הנתונים בטריקטורים לשנייה, עצלות מתחת 1 מ's, והשימוש בלהקות תת-הרץ ו-THz (100 GHz עד 3 THz) בתדרים אלה, עיצובים פילטרים קונבנציונליים המבוססים על אלמנטים מלוטשים הופכים לא-מעורשים בשל אורכי גל קטנים מאוד והפסדים גבוהים.

יתר על כן, ההסתמכות של 6G על משטחים אינטליגנטיים, רדיו הולוגרפי, ו- MIMO מסיבי ידרוש מסננים שניתן למקם מחדש ברמת האלמנט. מסנן פעיל עשוי להיות מוטבע ישירות לתוך מערך האנטנה כדי לבצע מרחבי ותדירות המסנן בו זמנית.

חידושים חומריים נהיגה Active Filter Performance

חומרים מוליכים למחצה חדשים מרחיבים את שטח העיצוב עבור מסננים פעילים:

יישומים אמיתיים ו Case Studies

מסננים פעילים כבר פרוסים בתשתיות 5G. לדוגמה, כמה תחנות בסיס מאקרו משתמשות במסננים פעילים לזיהוי מחדש של להקות להקות של חברת FDD ו- TDD. במערכות מסיביות MIMO, מסננים פעילים עם משמרות שלב משולבות מאפשרים לבלוט ב-חזית, להפחית את המורכבות של backhaul דיגיטלי.

רכב 5G (C-V2X) הטבות מסננים פעילים שיכולים לדחות אותות גילוח של כלי רכב אחרים או יחידות צדי הכביש תוך שמירה על שקיפות נמוכה. בדומה, מסוף תקשורת לווייני עבור רשתות לא ארציות (NTN) להשתמש מסננים פעילים הסתגלות כדי להתמודד עם שינויים דופלר והתערבות מקונסטלנטים מרובים.

כיוונים עתידיים למחקר

מסקנה

(הפילטרים הפעילים אינם רק מרכיב תומך במערכות אלחוטיות – הם הופכים לגורם מרכזי של הצנע והביצועים הנדרשים על ידי 5G ורשתות עתידיות.כפי שעולה, תקציבי כוח הידידים וסביבות ההתערבות לגדול יותר מורכב, היכולת לעצב באופן דינמי את תגובת התדירות עם רעש נמוך ומפרטים על פני תעשיית הליניאלים גבוהה תמשיך להתקדם במעגל להתנצלות, טכנולוגיות אינטגרציה, ולהבטיח אלגוריתמים לאלגוריתמים מתקדמים לאלגוריתמים ל- 5.