如何保护5G宏基站放大器和天线免受电气危害

本文深入探讨保护5G宏基站的塔式放大器和先进天线系统免受电气危害。

下一代蜂窝通信 5G 技术可提供更高的速度、更高的一致性和更低的延迟。

第五代移动网络预计将有能力在 100 万台设备/km 2之间进行通信，这比 4G 技术高出 10 倍。

5G 的进步可以增强消费者体验并促进新兴技术，例如：

自动驾驶汽车

智能家居/城市

自动化工厂

农业技术进步

虽然这些只是 5G 将产生影响的几个领域，但它都高度依赖于数据中心和支持通信基站。

基础设施设备的可靠性对于成功采用 5G 网络至关重要。

电子设计工程师需要通过开发电路来保护他们的 5G 基础设施设计，以防止影响其设备可靠性和使用寿命的五种电气危险源。

这些危险源是：

雷电引起的浪涌

由电机引起的大感性负载切换导致的瞬态电压浪涌

静电放电 （ESD）

电流过载

短路

本文详细描述了宏基站，并提供了保护基站电路的建议，即塔式放大器和先进的天线系统免受电气危险源的影响。

宏基站

基站通过传输和接收将核心网络连接到个人手机和其他无线设备，如手表、平板电脑和物联网设备。基带信息被调制并传输到移动设备；并且，移动设备传输被接收、解调并传输到有线基础设施。

宏基站是高塔，高度从 50 英尺到 200 英尺不等。它们通常是可见的结构，并且位于战略位置，以最大限度地扩大地理区域的覆盖范围。

基站必须连接到所有试图与其服务的覆盖区域内的基站通信的无线设备。

5G 基站包含先进的有源天线系统，其中包含采用多输入多输出 （MIMO） 技术配置的多根天线。

先进的有源天线提供更高的传输/接收容量、更快的数据传输速率和更高效的射频功率传输。

图 1 显示了构成基站的所有元件，以及保护和提高基站电路效率的推荐保护、控制和传感组件。

图 1.具有先进天线阵列的宏基站

图 2 显示了基站电路的框图。

图 2.宏基站框图

浪涌保护器内部的保护元件

浪涌保护设备与交流电源线连接，并受到交流电源线固有的瞬变影响。

建议在浪涌保护电路的输入端安装浪涌抑制熔断器。根据 UL 1449 和 IEC 61000-4-5 中定义的瞬态浪涌，这种类型的保险丝可以承受高达 200 kA 的雷击浪涌。该保险丝还可以在短路条件下提供限流保护。

在浪涌抑制保险丝之后，考虑使用金属氧化物压敏电阻 （MOV） 和气体放电管 （GDT） 的串联组合，以吸收电力线上发生的负载变化引起的雷击和其他大瞬变。

将 MOV-GDT 组合放置在尽可能靠近输入的位置，以尽量减少瞬态传播到电路中。

连接线路和零线之间的 MOV，并将气体放电装置从零线连接到地。

此外，如果 TVS 二极管的最大浪涌处理能力足以满足 AC 电源线馈电，则大功率瞬态电压抑制器 （TVS）二极管可以替代 MOV。TVS 二极管具有更快的响应时间并在较低电压下钳位瞬态。

保护塔顶放大器

塔式放大器暴露在室外环境中，需要防雷击和 ESD 保护。

该电路应具有串联保险丝以防止电流过载，并应具有并联 TVS 二极管以吸收雷电或 ESD 瞬态冲击。

大功率 TVS 二极管可以安全地吸收高达 10 kA 的电流过载。当空间限制至关重要时，这些组件可采用表面贴装封装。

保护先进的天线系统

如图 3 所示，高级天线系统 （AAS） 从地理小区中的移动无线设备接收和发送信息、音频通信和数据通信。

图 3。高级天线系统框图

来自基带单元的数字数据包被转换为模拟数据并上变频用于射频传输。接收到的射频信号被下变频和数字化以传输到基带单元。

电源输入电路

电源输入电路为其他 AAS 电路提供直流电源。

在输入级，建议使用保险丝进行过流保护。对于这种直流电路，快速熔断器是一个合适的选择。表面贴装速效版本可用于节省空间的应用。

考虑串联一个 MOV 和一个气体放电管，以保护电源输入电路的前端免受通过 SPD 以及电源和备用电池电路的瞬变的影响。

由于电源输入为所有其他电路供电，因此请考虑在电源输入电路的后端使用 TVS 二极管保护这些电路免受瞬态和 ESD 保护。TVS 二极管的钳位电压比 MOV 低，因此可以在下游电路中使用更低的额定电压（和更低成本）的组件。

以太网和 RS-232 或 RS-485 通信电路

要保护通信端口的完整性，请使用带有撬棒保护组件的瞬态保护。

如果正在使用以太网供电 （PoE） 通信链路，请考虑使用保护晶闸管，例如图 4 中所示的组件，它可以保护两条数据线免受 ESD 冲击。

图 4。用于保护以太网供电电路的两线保护晶闸管。 图 4a。两线组件的示意图，每条线上都有一个保护晶闸管。 图 4b。保护晶闸管的IV曲线

另一种保护解决方案是使用 TVS 二极管阵列和气体放电管。

图 5 显示了一个示例两线 TVS 二极管阵列。

图 5。具有并联齐纳二极管的两线 TVS 二极管阵列

与保护晶闸管相比，该器件采用齐纳二极管来钳位瞬态，从而消除瞬态。寻找这些组件的低电容版本，以尽量减少对数据传输质量的影响。如果协议是 PoE，请包括一个保险丝，以保护以太网电路免受连接到电路的交叉线路导致的过载。

对于 RS-232 或 RS-485 接口，考虑使用保护晶闸管和气体放电管组合来进行瞬态保护。对于电流过载和跨线保护，请考虑使用可复位聚合物正温度系数保险丝以提高设计灵活性。

在本系列文章的第 2 部分中，我们将讨论 5G 基带处理器单元、网络控制器、射频前端功率放大器以及配套电源和电池备份系统的电路保护设计要求。