本文深入探討保護5G宏基站的塔式放大器和先進天線系統免受電氣危害。

下一代蜂窩通信 5G 技術可提供更高的速度、更高的一致性和更低的延遲。

第五代移動網絡預計將有能力在 100 萬臺設備/km 2之間進行通信，這比 4G 技術高出 10 倍。

5G 的進步可以增強消費者體驗并促進新興技術，例如：

自動駕駛汽車

智能家居/城市

自動化工廠

農業技術進步

雖然這些只是 5G 將產生影響的幾個領域，但它都高度依賴于數據中心和支持通信基站。

基礎設施設備的可靠性對于成功采用 5G 網絡至關重要。

電子設計工程師需要通過開發電路來保護他們的 5G 基礎設施設計，以防止影響其設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

由電機引起的大感性負載切換導致的瞬態電壓浪涌

靜電放電 （ESD）

電流過載

短路

本文詳細描述了宏基站，并提供了保護基站電路的建議，即塔式放大器和先進的天線系統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絡連接到個人手機和其他無線設備，如手表、平板電腦和物聯網設備。基帶信息被調制并傳輸到移動設備；并且，移動設備傳輸被接收、解調并傳輸到有線基礎設施。

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構，并且位于戰略位置，以最大限度地擴大地理區域的覆蓋范圍。

基站必須連接到所有試圖與其服務的覆蓋區域內的基站通信的無線設備。

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

先進的有源天線提供更高的傳輸/接收容量、更快的數據傳輸速率和更高效的射頻功率傳輸。

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

圖 1.具有先進天線陣列的宏基站

圖 2 顯示了基站電路的框圖。

圖 2.宏基站框圖

浪涌保護器內部的保護元件

浪涌保護設備與交流電源線連接，并受到交流電源線固有的瞬變影響。

建議在浪涌保護電路的輸入端安裝浪涌抑制熔斷器。根據 UL 1449 和 IEC 61000-4-5 中定義的瞬態浪涌，這種類型的保險絲可以承受高達 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。

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） 的串聯組合，以吸收電力線上發生的負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時間并在較低電壓下鉗位瞬態。

保護塔頂放大器

塔式放大器暴露在室外環境中，需要防雷擊和 ESD 保護。

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

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

保護先進的天線系統

如圖 3 所示，高級天線系統 （AAS） 從地理小區中的移動無線設備接收和發送信息、音頻通信和數據通信。

圖 3。高級天線系統框圖

來自基帶單元的數字數據包被轉換為模擬數據并上變頻用于射頻傳輸。接收到的射頻信號被下變頻和數字化以傳輸到基帶單元。

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，建議使用保險絲進行過流保護。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省空間的應用。

考慮串聯一個 MOV 和一個氣體放電管，以保護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 二極管保護這些電路免受瞬態和 ESD 保護。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。

以太網和 RS-232 或 RS-485 通信電路

要保護通信端口的完整性，請使用帶有撬棒保護組件的瞬態保護。

如果正在使用以太網供電 （PoE） 通信鏈路，請考慮使用保護晶閘管，例如圖 4 中所示的組件，它可以保護兩條數據線免受 ESD 沖擊。

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

另一種保護解決方案是使用 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。具有并聯齊納二極管的兩線 TVS 二極管陣列

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

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

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、網絡控制器、射頻前端功率放大器以及配套電源和電池備份系統的電路保護設計要求。