Sub-6GHz-suppression: Sådan dæmpes interferens i 5G-enheder med filtre og antennedesign

Sub-6GHz-suppression handler om at dæmpe intern kobling, ud-af-bånd-forstærkning og gensidig kobling i 5G FR1-systemer. Her gennemgår jeg årsager, ferritperler, LC-filtre, filtennaer og metamaterialer med målte resultater.

Hvad er Sub-6GHz, og hvorfor er suppression afgørende?

Sub-6GHz dækker over 410 MHz til 7125 MHz ifølge 3GPP, og derfor hører du det nogle gange omtalt som Sub-7 GHz. FR1 i 3GPP Rel-16 ligger præcis i dette interval fra 410 til 7125 MHz, mens FR2 til sammenligning strækker sig fra 24250 MHz op til 52600 MHz. Det er reelt den del af 5G-spektret, hvor hovedparten af trafikken faktisk løber, simpelthen fordi dækningen er markant mere robust end det, millimeterbølger kan levere.

Det er ret tydeligt, at udbredelsen ændrer sig markant med frekvensen. Ser man på Friis-tab pr. 1 km, ligger 900 MHz på 91,5 dB, 3600 MHz på 103,6 dB, mens 28 GHz helt oppe på 121,4 dB – altså en forskel på 30 dB mellem 900 MHz og 28 GHz. Ved 6 GHz er bølgelængden 5 cm, hvilket typisk svarer til den mindste vægtykkelse, signalet skal igennem. Regn giver en dæmpning på 10 dB/km ved 50 mm/h under 30 GHz, mens den ved 3,6 GHz kun er 0,03 dB/km. Gasser dæmper til sammenligning 0,05 dB/km ved 28 GHz, men hele 20 dB/km ved 60 GHz. Og så er der skov: Ifølge ITU-R P.833-9 stiger dæmpningen her fra 0,4 dB/m ved 2 GHz til 6 dB/m ved 30 GHz.

Konsekvensen er, at Sub-6GHz 5G typisk giver 100-700 Mbps med dækning på op til flere kilometer og bedre gennemtrængning af bygninger, mens mmWave under ideelle forhold kan nå 1 Gbps over cirka 500 m sigtelinje. Og netop fordi Sub-6GHz er den bærende kanal, skal der ikke meget lækage eller ud-af-bånd-støj til, før BLER-forringelsen bliver mærkbar. Suppression er altså ikke bare et akademisk emne – det er et krav, man arbejder med hver eneste dag, når RF-frontenden designes.

Hvad forårsager Sub-6GHz-interferens i 5G-enheder?

Den helt typiske synder er intern kobling. Kører Wi-Fi 5 GHz samtidig med 5G-bånd n79, lækker Wi-Fi-signalet ind i 5G-RF-kredsen gennem LNA-strømforsyningslinjerne og via LO-signal- eller forsyningslinjerne til RF-IC'en. Resultatet er en forhøjet block error rate på n79, og det sker altså, uden at der er tale om ekstern stråling.

Målingerne viser altså, at der ikke optræder støj uden for Wi-Fi 5 GHz-båndet, og at BLER ikke stiger, når der kommer eksterne 5 GHz-signaler ind. Det peger ret entydigt på, at lækagen er intern — den følger strømforsyningen og lokaloscillatoren frem for antennen. Til sammenligning giver Wi-Fi 2.4 GHz ikke samme problem, og det understreger netop, at det er 5 GHz-frekvenserne, der kobler ind.

Der er altså tre forskellige mekanismer, man skal holde styr på her: intern kobling gennem forsynings- og LO-linjerne, ud-af-bånd-forstærkning i selve antenneleddet og gensidig kobling mellem MIMO-elementer, der sidder tæt sammen. Hver af dem kræver sin egen løsning, og i virkeligheden er man nødt til at håndtere flere af dem på én gang i det samme produkt.

Interne koblingsveje: Sådan degraderer Wi-Fi 5 GHz 5G-bånd n79

Interne koblingsveje opstår typisk, fordi Wi-Fi 5 GHz og 5G-bånd n79 skal deles om de samme ressourcer i kompakte enheder — både strømforsyningen og lokaloscillatoren. Wi-Fi-signalet finder vej ind via LNA'ens Vcc-linje, og det kan også snige sig ind gennem RF-IC'ens LO-signal eller dens forsyningslinje. Når det først er inde, blander det sig med det ønskede signal, og det er her, fejlraterne begynder at stige.

Det er ikke nok at skærme antennen – problemet forsvinder nemlig ikke af sig selv. Lækagen kommer indefra, så man er nødt til at sætte ind ved selve indgangene til LNA'en eller RF-IC'en med filtre. En ferritperle på LNA'ens forsyningslinje, for eksempel BLF03VK-serien der er tunet til 5 GHz, viser sig at dæmpe den uønskede kobling ganske effektivt.

Er LO'en ekstern, kræver den et LC-lavpasfilter, der dæmper over 5 GHz. Er den derimod intern, skal der i stedet sidde en ferritperle på LO-strømforsyningen, tunet til 5 GHz. Det er kombinationen af indgangsfiltre og filtrering på forsyningssiden, der for alvor gør arbejdet — det er den mest pålidelige kur mod intern kobling i Sub-6GHz-frontender.

Filter- og ferritperle-tiltag for LNA- og RF-IC-veje

Når du skal dæmpe Sub-6GHz-interferens, er rækkefølgen faktisk ret afgørende. Først skal du finde ud af, hvor koblingen opstår – altså hvilken vej den uønskede energi tager ind. Derefter sætter du filtret ind så tæt på den følsomme indgang som muligt. Det er nemlig her, filtre ved LNA- eller RF-IC-indgange virkelig gør en forskel, og derfor er det også den primære anbefaling: de fjerner den uønskede energi, før den overhovedet når frem til forstærkeren.

Når det kommer til forsyningslinjerne, er ferritperler nok det mest ligetil og samtidig billigste sted at sætte ind. BLF03VK-serien er specifikt tunet til 5 GHz og monteres direkte på LNA’ens Vcc-linje. Selve LO-stien kræver lidt mere omtanke: sidder LO’en eksternt, skal der et LC-lavpasfilter ind, som dæmper over 5 GHz, mens en intern LO i stedet kræver en ferritperle — også her tunet til 5 GHz — på selve LO-strømforsyningen.

I praksis bør man måle BLER på n79 med og uden Wi-Fi 5 GHz aktiv for at verificere effekten. Man bør også kontrollere, at der ikke opstår ny støj uden for 5 GHz-båndet, da det ville indikere, at filtret selv genererer problemer. En systematisk tilgang med måling før og efter er afgørende for dokumenterbare resultater.

Ud-af-bånd-dæmpning i filtrerende antennearrays

Ud-af-bånd-dæmpning handler om at forhindre, at antennen forstærker signaler uden for det tilsigtede bånd. Et bredbåndet filtrerende antennearray til Sub-6GHz-basestationer opnår ud-af-bånd-forstærkningsdæmpning på over 16 dBi, hvilket er et markant resultat for den type array.

En højselektiv plan filtenna opnår 3,5 dBi forstærkning med et strålingsnul ved 4 GHz og bred ud-af-bånd-dæmpning helt op til tredje harmoniske. Det gør filtennaen velegnet, hvor man både vil have kompakt størrelse og skarp selektivitet uden et separat filter efter antennen.

Et kompakt UWB-båndpasfilter baseret på dobbeltkoblede linjer og to metamateriale SRR-celler dækker 2,8 GHz til 9,6 GHz med en fraktionel båndbredde på 109,7 %. Det viser, hvordan metamaterialer kan levere bredbåndsdæmpning uden at ofre gennemgang i det ønskede bånd.

Gensidig kobling: Metamaterialer og metasurfaces i MIMO

Gensidig kobling mellem tæt placerede MIMO-elementer er en særlig udfordring i Sub-6GHz, hvor bølgelængderne er lange nok til, at elementerne står tæt i forhold til bølgelængden. Metamaterialer kan skabe et båndgab ved den ønskede frekvens og dermed dæmpe overfladestrømme mellem elementerne.

En dobbeltsidet afkoblingsmetasurface (DSDM) reducerer koblingen mellem tæt placerede cirkulært polariserede MIMO-elementer. En metamaterialeisolator med dobbeltnegative enhedsceller forbedrer isolationen i Sub-6GHz-båndet. Begge tilgange udnytter, at strukturen ændrer den effektive overfladeimpedans.

Fordelen er, at man kan bevare en kompakt MIMO-geometri uden at øge afstanden mellem elementerne. Ulempen er, at metamaterialestrukturer kræver præcis dimensionering og typisk simuleres i HFSS eller CST, før de produceres. Målinger bør altid bekræfte simuleringen, før designet låses.

EMI-dæmpning i foldede PCB-tilstande: 37,8 % reduktion

En foreslået PCB-metode kvantificerer EMI-dæmpning i foldede tilstande og opnår 37,8 % reduktion af interferenseffekten på tværs af Sub-6GHz og mmWave. Det er interessant, fordi foldede PCB'er ofte ændrer koblingsvejene markant i forhold til den flade tilstand.

Metoden viser, at man ikke kan nøjes med at validere EMI i én mekanisk konfiguration. Når printet foldes, ændres afstande og retninger mellem spor, og det kan enten forværre eller forbedre koblingen. Derfor bør EMI-test indgå i flere foldetilstande under udviklingen.

Resultatet på 37,8 % er et nyttigt benchmark, men det skal ses som et metodisk bidrag snarere end en universel garanti. Effekten afhænger af stackup, sporlængder og skærmning, og den bør derfor verificeres for det konkrete design, før man regner med den i en produktionsspecifikation.

Sub-6GHz vs. mmWave vs. Wi-Fi 6 GHz: Specifikationer og sammenligning

For at træffe de rigtige designvalg er det nødvendigt at sammenligne de tre teknologier direkte. Tabellen nedenfor opsummerer de vigtigste forskelle i frekvens, dækning, hastighed og gennemtrængning.

Wi-Fi 6 GHz-båndet rummer 1200 MHz og 59 kanaler af 20 MHz. FCC opdeler det i underbåndene U-NII-5, U-NII-6, U-NII-7 og U-NII-8 og tillader meget lav effekt til ulicenserede enheder i U-NII-5 (5,925-6,425 GHz) og U-NII-7 (6,525-6,875 GHz), både inde og ude, uden frekvenskoordinering. EU tillader 5925-6425 MHz (5945-6425).

Regulatorisk er Wi-Fi 6E-accesspunkter blevet lanceret efter godkendelse fra FCC og Wi-Fi Alliance. 6 GHz-understøttede accesspunkter forventes at nå 2,3 milliarder enheder, hvoraf 350 millioner er Wi-Fi 6E-kapable, og mere end 400 produkter er Wi-Fi 6E-certificerede. Ifølge IDC udgjorde Wi-Fi 6-AP'er over 76 % af leverancerne i en periode, hvilket viser, hvor hurtigt båndet er blevet relevant for interferensbilledet.

Regulatorisk og markedsmæssig kontekst for Sub-6GHz

I Sydafrika er 5G i vid udstrækning Sub-6GHz, især i 3,5 GHz-båndene, hvor MTN og Vodacom udvider. Over halvdelen af befolkningen havde 5G-adgang ved udgangen af 2024. Det gør Sub-6GHz til den dominerende 5G-teknologi i regionen, og dermed også til det område, hvor suppression giver størst praktisk værdi.

For boostere betyder det, at man i dag realistisk kan understøtte 700-2600 MHz til 4G og 3,5 GHz til 5G Sub-6. mmWave-boostere er derimod ikke realistiske i dag på grund af den korte rækkevidde og de svære udbredelsesforhold. Det bør man tage højde for, når man planlægger dækningsløsninger.

Samlet set peger både den regulatoriske udvikling og markedsdata i samme retning: Sub-6GHz forbliver den bærende 5G-kanal i mange år endnu. Derfor er investeringer i filtre, ferritperler, filtennaer og metamaterialebaserede afkoblingsstrukturer ikke en midlertidig løsning, men et langsigtet designprincip.

Sådan måler og verificerer du Sub-6GHz-suppression

Måling er afgørende, fordi simulering alene sjældent fanger alle koblingsveje. Start med at måle BLER på n79 med Wi-Fi 5 GHz slukket og tændt. Hvis BLER stiger, når Wi-Fi 5 GHz er aktiv, mens der ikke ses støj uden for 5 GHz-båndet, er der tale om intern kobling.

Dernæst måler du isolationsforbedringen, når du indsætter ferritperler og LC-filtre. For antennearrays måler du ud-af-bånd-forstærkning og kontrollerer, at dæmpningen når over 16 dBi for basestationsarrays. For filtennaer verificerer du strålingsnullet og dæmpningen op til tredje harmoniske.

Endelig bør EMI testes i flere foldetilstande, hvis enheden kan foldes, da 37,8 % reduktion er opnået i netop den type scenarie. Dokumentér hver måling med frekvens, effektniveau og konfiguration, så resultaterne kan reproduceres. Det er den eneste måde at sikre, at suppressionen holder i produktion.

Ofte stillede spørgsmål om Sub-6GHz-suppression

Hvad forårsager Sub-6GHz-interferens i 5G-enheder?

Intern kobling er en almindelig årsag. Når Wi-Fi 5 GHz kører sammen med 5G-bånd n79, lækker Wi-Fi-signalet ind i 5G-RF-kredsen via LNA-strømforsyningslinjer og RF-IC'ens LO-signal- eller forsyningslinjer, hvilket hæver block error rate. Målinger viser ingen støj uden for Wi-Fi 5 GHz-båndet, hvilket bekræfter intern lækage frem for ekstern stråling.

Hvordan dæmper man Sub-6GHz-interferens?

Indsæt filtre ved LNA- eller RF-IC-indgangene. Tilføj ferritperler på LNA-forsyningslinjen, for eksempel BLF03VK-serien tunet til 5 GHz. Når LO'en er ekstern, bruges et LC-lavpasfilter, der dæmper signaler over 5 GHz; er LO'en intern, tilføjes en 5 GHz-tunet ferritperle på LO-strømforsyningen.

Hvad er ud-af-bånd-dæmpning i Sub-6GHz-antennearrays?

Et bredbåndet filtrerende antennearray til Sub-6GHz-basestationer opnår ud-af-bånd-forstærkningsdæmpning på over 16 dBi. En højselektiv plan filtenna når 3,5 dBi forstærkning med et strålingsnul ved 4 GHz og bred ud-af-bånd-dæmpning op til tredje harmoniske. Det giver både kompakt størrelse og skarp selektivitet.

Hvordan dæmpes gensidig kobling i Sub-6GHz MIMO-antenner?

Metamaterialestrukturer skaber et båndgab ved den ønskede frekvens og dæmper dermed overfladestrømme. En dobbeltsidet afkoblingsmetasurface reducerer gensidig kobling mellem tæt placerede cirkulært polariserede MIMO-elementer. En metamaterialeisolator med dobbeltnegative enhedsceller forbedrer isolationen i Sub-6GHz-båndet og bevarer en kompakt MIMO-geometri.