Protección de antenas y amplificadores de estaciones base macro 5G contra peligros eléctricos

La próxima generación de comunicación celular, la tecnología 5G, ofrece mayor velocidad, mayor consistencia y menor latencia.

Se espera que esta quinta generación de redes móviles tenga capacidad para permitir la comunicación entre un millón de dispositivos/km2, diez veces más que la tecnología 4G.

Los avances del 5G podrían mejorar las experiencias de los consumidores y facilitar tecnologías emergentes como:

Si bien estas son sólo algunas áreas en las que 5G tendrá un impacto, todo depende en gran medida de los centros de datos y las estaciones base de comunicaciones de apoyo.

La confiabilidad del equipo de infraestructura es fundamental para la adopción exitosa de redes 5G.

Los ingenieros de diseño electrónico necesitan proteger sus diseños de infraestructura 5G mediante el desarrollo de circuitos que protejan contra cinco fuentes de peligros eléctricos que afectan la confiabilidad y la vida útil de sus equipos.

Estas fuentes de peligro son:

Este artículo proporciona una descripción detallada de una macroestación base y ofrece recomendaciones para proteger los circuitos de la estación base, es decir, el amplificador montado en la torre y los sistemas de antena avanzados de fuentes de peligros eléctricos.

La estación base conecta la red central con los teléfonos móviles individuales y otros dispositivos inalámbricos como relojes, tabletas y dispositivos IoT mediante transmisión y recepción. La información de banda base se modula y transmite a dispositivos móviles; y las transmisiones de dispositivos móviles se reciben, demodulan y transmiten a la infraestructura alámbrica.

Las estaciones base macro son torres altas con alturas que oscilan entre 50 y 200 pies. Suelen ser estructuras visibles y ubicadas estratégicamente para maximizar la cobertura en un área geográfica.

La estación base debe conectarse a todos los dispositivos inalámbricos que intenten comunicarse con la estación base en el área de cobertura a la que sirve.

Las estaciones base 5G contienen sistemas de antena activos avanzados que contienen múltiples antenas en configuraciones de tecnología de múltiples entradas y múltiples salidas (MIMO).

Las antenas activas avanzadas proporcionan una mayor capacidad de transmisión/recepción, velocidades de transmisión de datos más rápidas y una entrega más eficiente de potencia de RF.

La Figura 1 muestra todos los elementos que componen una estación base y los componentes recomendados de protección, control y detección que protegen y mejoran la eficiencia de los circuitos de la estación base.

La Figura 2 muestra un diagrama de bloques del circuito de la estación base.

El dispositivo de protección contra sobretensiones interactúa con la línea de alimentación de CA y está sujeto a transitorios inherentes a la línea de alimentación de CA.

Se recomienda instalar un fusible de supresión de sobretensiones en la entrada del circuito de protección contra sobretensiones. Este tipo de fusible puede soportar una sobretensión por rayo de hasta 200 kA según las sobretensiones transitorias definidas en UL 1449 e IEC 61000-4-5. Este fusible también actúa para proporcionar protección limitadora de corriente en condiciones de cortocircuito.

Después del fusible de supresión de sobretensiones, considere usar una combinación en serie de un varistor de óxido metálico (MOV) y un tubo de descarga de gas (GDT) para absorber el impacto del rayo y otros grandes transitorios que surgen de los cambios de carga que ocurren en la línea eléctrica.

Coloque la combinación MOV-GDT lo más cerca posible de la entrada para minimizar la propagación transitoria en el circuito.

Conecte el MOV entre Línea y Neutro y conecte el dispositivo de descarga de gas de neutro a tierra.

Además, un diodo supresor de voltaje transitorio (TVS) de alta potencia es una alternativa a un MOV si la capacidad máxima de manejo de sobretensiones del diodo TVS es adecuada para la alimentación de la línea de alimentación de CA. Los diodos TVS tienen tiempos de respuesta más rápidos y bloquean los transitorios a voltajes más bajos.

El amplificador montado en torre está expuesto al ambiente exterior y necesita protección contra rayos y ESD.

Este circuito debe tener un fusible en serie para proteger contra sobrecargas de corriente y un diodo TVS en paralelo para absorber rayos o descargas transitorias de ESD.

Los diodos TVS de alta potencia pueden absorber de forma segura sobrecargas de corriente de hasta 10 kA. Estos componentes están disponibles en paquetes de montaje en superficie cuando las limitaciones de espacio son críticas.

El Sistema de Antena Avanzado (AAS), como se muestra en la Figura 3, recibe y transmite información, comunicación de audio y comunicación de datos desde y hacia los dispositivos inalámbricos móviles en la celda geográfica.

Los paquetes digitales de la unidad de banda base se convierten en datos analógicos y se convierten para transmisión de RF. Las señales de RF recibidas se convierten y digitalizan para su transmisión a la unidad de banda base.

El circuito de entrada de energía proporciona energía CC para los otros circuitos AAS.

En la etapa de entrada, se recomienda un fusible para protección contra sobrecorriente. Para este circuito de CC, un fusible de acción rápida es una opción adecuada. Hay disponibles versiones de acción rápida para montaje en superficie para aplicaciones que ahorran espacio.

Considere un MOV y un tubo de descarga de gas en serie para proteger el extremo frontal del circuito de entrada de energía de transitorios que hayan pasado a través del SPD y el circuito de suministro de energía y batería de respaldo.

Dado que la entrada de energía alimenta a todos los demás circuitos, considere proteger estos circuitos contra transitorios y protección ESD con un diodo TVS en el extremo posterior del circuito de entrada de energía. Un diodo TVS tiene un voltaje de sujeción más bajo que un MOV y permite el uso de componentes con voltaje nominal más bajo (y de menor costo) en los circuitos posteriores.

Para proteger la integridad de los puertos de comunicación, utilice protección transitoria con componentes de protección de palanca.

Si se utiliza un enlace de comunicación Power-over-Ethernet (PoE), considere un tiristor de protección, como el componente que se muestra en la Figura 4, que protege dos líneas de datos contra descargas ESD.

Una solución de protección alternativa es utilizar una matriz de diodos TVS y un tubo de descarga de gas.

En la Figura 5 se muestra un ejemplo de matriz de diodos TVS de dos líneas.

Este dispositivo emplea un diodo Zener para sujetar un transitorio en comparación con el tiristor de protección, que controla el transitorio. Busque versiones de estos componentes con baja capacitancia para minimizar el impacto en la calidad de las transmisiones de datos. Si el protocolo es PoE, incluya un fusible para proteger el circuito Ethernet de una sobrecarga resultante del cruce de líneas que se conectan al circuito.

Para una interfaz RS-232 o RS-485, considere usar una combinación de tiristor de protección y un tubo de descarga de gas para protección transitoria. Para sobrecarga de corriente y protección de líneas cruzadas, considere un fusible polimérico de coeficiente de temperatura positivo reiniciable para una mayor flexibilidad de diseño.

En la Parte 2 de esta serie de artículos, abordaremos los requisitos de diseño de protección de circuitos para la unidad procesadora de banda base 5G, el controlador de red, el amplificador de potencia frontal de RF y la fuente de alimentación de soporte y el sistema de respaldo de batería.

Para obtener más información, descargue la Guía de selección de productos de protección de circuitos, cortesía de Littelfuse, Inc.

Todas las imágenes utilizadas son cortesía de Littelfuse, Inc.

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