如何保護(hù)5G宏基站放大器和天線免受電氣危害

本文深入探討保護(hù)5G宏基站的塔式放大器和先進(jìn)天線系統(tǒng)免受電氣危害。

下一代蜂窩通信 5G 技術(shù)可提供更高的速度、更高的一致性和更低的延遲。

第五代移動網(wǎng)絡(luò)預(yù)計將有能力在 100 萬臺設(shè)備/km 2之間進(jìn)行通信，這比 4G 技術(shù)高出 10 倍。

5G 的進(jìn)步可以增強(qiáng)消費(fèi)者體驗(yàn)并促進(jìn)新興技術(shù)，例如：

自動駕駛汽車

智能家居/城市

自動化工廠

農(nóng)業(yè)技術(shù)進(jìn)步

雖然這些只是 5G 將產(chǎn)生影響的幾個領(lǐng)域，但它都高度依賴于數(shù)據(jù)中心和支持通信基站。

基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備的可靠性對于成功采用 5G 網(wǎng)絡(luò)至關(guān)重要。

電子設(shè)計工程師需要通過開發(fā)電路來保護(hù)他們的 5G 基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計，以防止影響其設(shè)備可靠性和使用壽命的五種電氣危險源。

這些危險源是：

雷電引起的浪涌

由電機(jī)引起的大感性負(fù)載切換導(dǎo)致的瞬態(tài)電壓浪涌

靜電放電 （ESD）

電流過載

短路

本文詳細(xì)描述了宏基站，并提供了保護(hù)基站電路的建議，即塔式放大器和先進(jìn)的天線系統(tǒng)免受電氣危險源的影響。

宏基站

基站通過傳輸和接收將核心網(wǎng)絡(luò)連接到個人手機(jī)和其他無線設(shè)備，如手表、平板電腦和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備?；鶐?a target="_blank">信息被調(diào)制并傳輸?shù)揭苿釉O(shè)備；并且，移動設(shè)備傳輸被接收、解調(diào)并傳輸?shù)接芯€基礎(chǔ)設(shè)施。

宏基站是高塔，高度從 50 英尺到 200 英尺不等。它們通常是可見的結(jié)構(gòu)，并且位于戰(zhàn)略位置，以最大限度地擴(kuò)大地理區(qū)域的覆蓋范圍。

基站必須連接到所有試圖與其服務(wù)的覆蓋區(qū)域內(nèi)的基站通信的無線設(shè)備。

5G 基站包含先進(jìn)的有源天線系統(tǒng)，其中包含采用多輸入多輸出 （MIMO） 技術(shù)配置的多根天線。

先進(jìn)的有源天線提供更高的傳輸/接收容量、更快的數(shù)據(jù)傳輸速率和更高效的射頻功率傳輸。

圖 1 顯示了構(gòu)成基站的所有元件，以及保護(hù)和提高基站電路效率的推薦保護(hù)、控制和傳感組件。

圖 1.具有先進(jìn)天線陣列的宏基站

圖 2 顯示了基站電路的框圖。

圖 2.宏基站框圖

浪涌保護(hù)器內(nèi)部的保護(hù)元件

浪涌保護(hù)設(shè)備與交流電源線連接，并受到交流電源線固有的瞬變影響。

建議在浪涌保護(hù)電路的輸入端安裝浪涌抑制熔斷器。根據(jù) UL 1449 和 IEC 61000-4-5 中定義的瞬態(tài)浪涌，這種類型的保險絲可以承受高達(dá) 200 kA 的雷擊浪涌。該保險絲還可以在短路條件下提供限流保護(hù)。

在浪涌抑制保險絲之后，考慮使用金屬氧化物壓敏電阻 （MOV） 和氣體放電管 （GDT） 的串聯(lián)組合，以吸收電力線上發(fā)生的負(fù)載變化引起的雷擊和其他大瞬變。

將 MOV-GDT 組合放置在盡可能靠近輸入的位置，以盡量減少瞬態(tài)傳播到電路中。

連接線路和零線之間的 MOV，并將氣體放電裝置從零線連接到地。

此外，如果 TVS 二極管的最大浪涌處理能力足以滿足 AC 電源線饋電，則大功率瞬態(tài)電壓抑制器 （TVS）二極管可以替代 MOV。TVS 二極管具有更快的響應(yīng)時間并在較低電壓下鉗位瞬態(tài)。

保護(hù)塔頂放大器

塔式放大器暴露在室外環(huán)境中，需要防雷擊和 ESD 保護(hù)。

該電路應(yīng)具有串聯(lián)保險絲以防止電流過載，并應(yīng)具有并聯(lián) TVS 二極管以吸收雷電或 ESD 瞬態(tài)沖擊。

大功率 TVS 二極管可以安全地吸收高達(dá) 10 kA 的電流過載。當(dāng)空間限制至關(guān)重要時，這些組件可采用表面貼裝封裝。

保護(hù)先進(jìn)的天線系統(tǒng)

如圖 3 所示，高級天線系統(tǒng) （AAS） 從地理小區(qū)中的移動無線設(shè)備接收和發(fā)送信息、音頻通信和數(shù)據(jù)通信。

圖 3。高級天線系統(tǒng)框圖

來自基帶單元的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)包被轉(zhuǎn)換為模擬數(shù)據(jù)并上變頻用于射頻傳輸。接收到的射頻信號被下變頻和數(shù)字化以傳輸?shù)交鶐卧?/p>

電源輸入電路

電源輸入電路為其他 AAS 電路提供直流電源。

在輸入級，建議使用保險絲進(jìn)行過流保護(hù)。對于這種直流電路，快速熔斷器是一個合適的選擇。表面貼裝速效版本可用于節(jié)省空間的應(yīng)用。

考慮串聯(lián)一個 MOV 和一個氣體放電管，以保護(hù)電源輸入電路的前端免受通過 SPD 以及電源和備用電池電路的瞬變的影響。

由于電源輸入為所有其他電路供電，因此請考慮在電源輸入電路的后端使用 TVS 二極管保護(hù)這些電路免受瞬態(tài)和 ESD 保護(hù)。TVS 二極管的鉗位電壓比 MOV 低，因此可以在下游電路中使用更低的額定電壓（和更低成本）的組件。

以太網(wǎng)和 RS-232 或 RS-485 通信電路

要保護(hù)通信端口的完整性，請使用帶有撬棒保護(hù)組件的瞬態(tài)保護(hù)。

如果正在使用以太網(wǎng)供電 （PoE） 通信鏈路，請考慮使用保護(hù)晶閘管，例如圖 4 中所示的組件，它可以保護(hù)兩條數(shù)據(jù)線免受 ESD 沖擊。

圖 4。用于保護(hù)以太網(wǎng)供電電路的兩線保護(hù)晶閘管。 圖 4a。兩線組件的示意圖，每條線上都有一個保護(hù)晶閘管。 圖 4b。保護(hù)晶閘管的IV曲線

另一種保護(hù)解決方案是使用 TVS 二極管陣列和氣體放電管。

圖 5 顯示了一個示例兩線 TVS 二極管陣列。

圖 5。具有并聯(lián)齊納二極管的兩線 TVS 二極管陣列

與保護(hù)晶閘管相比，該器件采用齊納二極管來鉗位瞬態(tài)，從而消除瞬態(tài)。尋找這些組件的低電容版本，以盡量減少對數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量的影響。如果協(xié)議是 PoE，請包括一個保險絲，以保護(hù)以太網(wǎng)電路免受連接到電路的交叉線路導(dǎo)致的過載。

對于 RS-232 或 RS-485 接口，考慮使用保護(hù)晶閘管和氣體放電管組合來進(jìn)行瞬態(tài)保護(hù)。對于電流過載和跨線保護(hù)，請考慮使用可復(fù)位聚合物正溫度系數(shù)保險絲以提高設(shè)計靈活性。

在本系列文章的第 2 部分中，我們將討論 5G 基帶處理器單元、網(wǎng)絡(luò)控制器、射頻前端功率放大器以及配套電源和電池備份系統(tǒng)的電路保護(hù)設(shè)計要求。