选择合适5G抑制带通滤波器的考虑因素

在同一地理区域内实现5G服务与固定卫星业务（FSS）接收地球站（ES）共存的一个简单而有效的解决方案是，在FSS地球站的接收前端加装微波带通滤波器（BPF）。选择合适的BPF有助于抑制5G干扰信号，同时对带内FSS业务的影响降至最低，从而使5G网络能够在尽可能少的限制条件下部署。为各国设计BPF时，需综合考量多个参数。关键在于，5G滤波器设计的理论基础是物理学定律，这一原则对所有设计公司而言都是一致的。设计的核心在于如何权衡各项参数。国鑫GARDINER提供的BPF，是我们的技术团队与制造商和广播领域的专家携手精心研发的成果。国鑫GARDINER团队在设计时考虑的参数涵盖了通带插入损耗（IL），它直接关系到整个通带内链路裕量的提升，以及滤波器的其他物理特性，这些特性确保了滤波器易于集成，即便在恶劣环境下也能维持出色的性能稳定性。

在本文中，我们将首先概述一些BPF设计参数，这些参数对客户挑选合适的5G抑制BPF大有裨益。文中还将列举市场上几款主流BPF的关键规格，便于客户进行对比。此外，我们将估算并展示5G基站与FSS地球站之间在最坏情况下的分离距离。通过与市场上其他BPF型号的对比，国鑫GARDINER的BPF在电气和物理规格方面均展现出卓越性能，堪称顶级BPF之一。

选择5G抑制带通滤波器（BPF）的考量

在亚太地区，C波段固定卫星业务（FSS）在为偏远地区提供连接以及改善人们的社会和经济生活方面发挥了不可或缺的作用。其主要应用包括直播卫星（DTH）视频、双向甚小孔径终端（VSAT）通信、卫星新闻采集、电视内容贡献和分发等。在该地区，可以看到各种孔径大小不同的C波段卫星天线。然而，最近部署的5G网络正在侵占C波段频谱的一部分，并准备从卫星服务中夺取更多频谱。感兴趣的读者可以在[1]中查阅5G对FSS干扰的详细类型和症状。

为了限制5G干扰的影响，一种有效且经济的方法是在低噪声下变频器（LNB）输入和卫星天线输出之间安装一个5G抑制带通滤波器（BPF）。选择合适的5G抑制BPF至关重要。直观上，BPF的抑制水平越高，将显著降低对FSS业务的干扰水平，并允许与邻近5G基站有更近的共存距离。然而，BPF的抑制参数是与其他设计规格之间的权衡，如通带插入损耗（IL，它影响链路裕量和天线尺寸的变化）、滤波器的物理长度和质量。

微波BPF的通带IL主要受所用微波谐振器技术、滤波器带宽、滤波器阶数（使用的系统极点或谐振器腔的数量）以及制造技术的影响。C波段卫星接收预选BPF常用的谐振器技术是同轴再入式谐振腔。谐振腔的性能通过其无载品质因数（Qu）来评估，该值可根据腔体大小、镀银质量和调谐元件状态等因素在几百到几千之间变化。在金属导电性相同的情况下，更大的谐振腔通常提供更高的Qu，从而降低由这些谐振器实现的滤波器的IL。但是，使用更大的谐振腔也意味着滤波器将更笨重，可能导致已安装的地球站（ES）系统出现结构支撑问题。

在其他参数固定的情况下，BPF的滤波器阶数越高，将导致更高的带外抑制和通带IL。我们可以在图1中说明这一现象，其中显示了滤波器阶数=6、8和12的全极点BPF的抑制和IL性能。当滤波器拓扑结构和谐振器Qu固定（Qu=2000）时，我们会发现12极BPF提供了最陡峭的带外抑制滚降（图1(b)），但通带IL也最差（图1(a)）。因此，可以通过使用更多和更大的谐振器腔来获得5G频段的更高抑制水平，但代价是FSS通带的IL降低，甚至滤波器尺寸和质量增加。

可以从另一个角度看待图1中的说明。如果已知所需的最小抑制水平（例如40 dB）足以抑制附近已知的5G干扰源，我们可以发现，对于图1(b)中所示的12极、8极和6极BPF，分别需要至少65 MHz、135 MHz和240 MHz的保护带间隔（从3.7 GHz的通带下边缘测量）。也就是说，如果有足够的保护带，我们可以选择一个满足抑制规格且IL损失最低、设计更紧凑（使用更少和更小的谐振器腔）的BPF，以适应现有的ES硬件配置。

图1展示了带通滤波器（BPF）的阶数（极数）与（a）通带插入损耗和（b）带外抑制的关系，其中通带和带外频率范围的起点由粉色虚线标出。BPF带来的额外插入损耗可以转化为接收终端等效系统G/T值的劣化。例如，如果BPF的插入损耗（IL）为1.0 dB，加上射频信号路径上已有的损耗组件（即天线、正交模耦合器、馈电波导和低噪声放大器），可能会导致系统G/T值劣化超过2.5 dB。G/T值的恶化会进一步导致载波噪声比（C/N）降低，从而影响卫星链路的服务水平协议（SLA）。例如，如果在安装BPF后，上述卫星链路的C/N比降低了2 dB，则可能需要将链路调制编码（MODCOD）从8PSK 3/4降低到QPSK 5/6，以保持相同的链路裕量。同时，我们可能需要将数据速率从70 Mbps降低到50 Mbps，以匹配链路的C/N比；或者，我们可以通过增加天线尺寸来补偿G/T值的劣化并保持数据速率。无论哪种方式，都会给客户带来额外的成本。

另一方面，在修改地球站（ES）天线之前，我们还必须考虑滤波器的物理长度和质量。该区域内使用的许多C波段天线为前馈式，如图2（a）所示，其中馈电喇叭和低噪声放大器直接安装在一个简单的三脚架上，面向主反射面。如果安装的5G抑制BPF过重，可能会使三脚架支撑杆过载，甚至导致抛物面天线失焦，从而造成进一步的G/T值劣化。如果滤波器外形过大，可能会显著增加天线的风阻，并在影响许多亚太国家的台风季节增加天线受损的风险。

后馈式C波段天线对滤波器质量的敏感度较低，因为BPF通常安装在主反射面的背面，通常在集线器组件内。然而，许多此类天线集线器的设计空间非常有限，如图2（b）所示。如果BPF过长，则必须使用额外的90°波导弯头来容纳90°极化路径上的BPF，而且，附在其上的低噪声放大器可能不得不留在集线器空间之外，暴露于自然环境中。

图2展示了常见的C波段接收抛物面天线：（a）前馈式抛物面天线和（b）后馈式抛物面天线的集线器。如果BPF像图2（a）中的那样暴露在空气中，我们还必须考虑滤波器外壳所提供的保护程度。由于许多亚太地区国家降雨量大、湿度高，且存在含盐空气的腐蚀问题，因此我们建议使用采用更高IP6X标准的BPF。综上所述，在选择合适的5G抑制BPF时，我们必须综合考虑通带插入损耗、滤波器长度和质量以及带外抑制水平。建议的BPF选择过程包括以下步骤：

• 首先，所选BPF的通带和抑制带必须与当地固定卫星业务（FSS）和5G频带相匹配。在亚太地区，不同国家的C波段5G频谱可能结束于不同的频率，例如3.6 GHz、3.65 GHz、3.7 GHz或3.8 GHz。国鑫GARDINER eBPF3902已开发出BPF3700S、BPF-3646、BPF-3700T、BPF-3800S、BPF-3800R、BPF-3900S和BPF-4230系列，以最佳适应各种5G与FSS共存环境[2]。此外，还值得一提的是，如果卫星地球站位于繁忙的航线附近，则最好在同一BPF上集成抑制飞机高度表雷达频谱（4.2-4.4 GHz）的功能，如BPF-3800R或BPF4230型号。

• 第二步是在带外抑制和通带插入损耗之间进行权衡。如果5G干扰严重且生存性是首要考虑因素，则必须将抑制水平规格放在首位。如果需要，甚至可能需要更换整个抛物面天线以适应BPF。然而，对于大多数FSS地球站而言，必须保留现有天线，且由此产生的卫星链路劣化必须在可承受范围内。因此，具有平衡抑制-插入损耗性能的BPF是理想的选择。为了达到这个目标，必须在地球站估计或测量5G干扰水平。同时，还必须为未来5G部署以及附近区域的协调条件预留裕量。

• 第三步是在BPF的电气性能与其关键物理规格（如滤波器长度和质量）之间进行权衡。毕竟，所购买的滤波器必须能够安装在现有天线硬件上，而不会导致额外问题，如天线失焦、危及机械结构以及在恶劣天气下降低链路可用性。上述两个步骤可能需要迭代多次，才能达到最佳BPF选择。

1. 国鑫GARDINER eBPF3902 BPF与其他5G抑制滤波器的比较

在本节中，我们将国鑫GARDINER eBPF3902提供的两个BPF型号BPF-3800S和BPF-3700T[2]与市场上其他BPF型号（我们称之为A、B、C、D和E，其规格可在网上找到）进行比较。如上一节所述，比较的关键规格包括通带频率范围、通带插入损耗、带外抑制、滤波器长度、质量和滤波器外壳保护等级。由于并非所有比较的BPF都具有相同的通带频率范围，因此带外抑制水平是在相对于BPF通带下边缘（LBE）的频率下进行比较的。

所比较BPF的规格如表1所示，其中抑制水平以及其他列出的规格均来自其各自的BPF数据表，未进行插值或其他操作。针对保护带间隔数据的抑制情况可以绘制在单独的图表中，如图3（a）所示。

5G抑制带通滤波器（BPF）关键规格比较

表格解释：

· 型号：滤波器的型号标识。

· 通带：滤波器允许信号通过的频率范围。

· 最大插入损耗（IL max）：信号通过滤波器时的最大损耗，以分贝（dB）为单位。

· 距下边缘带（LBE）X MHz处的抑制：在通带下边缘（LBE）外X MHz处的信号抑制程度，以分贝（dB）为单位。

· 长度：滤波器的物理长度，以厘米（cm）为单位。

· 质量：滤波器的质量，以克（g）为单位。

· 防护等级：滤波器的防护等级，表示其对灰尘和水的防护能力。

在5G抑制带通滤波器（BPF）方面，并没有一种万能的解决方案。不同国家对于固定卫星业务（FSS）和5G网络的频率分配可能有不同的要求。如果像美国那样，FSS与5G之间的保护带间隔为20 MHz，则必须使用D型BPF，但代价是滤波器体积更大、插入损耗（IL）显著增加。然而，如果FSS地球站位于韩国或澳大利亚，这些地方的FSS与5G间隔为100 MHz，那么可以使用国鑫GARDINER eBPF3902 3800S来提供超过60 dB的抑制，同时拥有所有比较BPF中最低的通带插入损耗、最小的滤波器长度/质量以及最高的滤波器本体防护等级。如果保护带间隔如新加坡那样为50 MHz，则可以选择国鑫GARDINER eBPF3902 3700T来平衡5G抑制水平与带内插入损耗性能和其他规格。

我们还在图3（a）中强调了保护带间隔小于100 MHz的区域，因为世界上大多数国家的FSS与5G保护带间隔都等于或小于100 MHz。因此，在100 MHz范围之外实现的更高抑制水平对整体5G干扰抑制的贡献将微乎其微。

如果已知所使用的BPF的抑制水平，则可以估算所需的FSS与5G之间的分离距离（以米为单位），并将其与保护带间隔（以MHz为单位）一起绘制在图表上。然而，如果假设条件没有清晰列出，这种图表可能会令人困惑甚至产生误导。在图3（b）中，我们基于最坏的FSS与5G共存场景进行了这样的比较。它假设5G基站的等效全向辐射功率（EIRP）为78 dBm（200W有源天线单元（AAU）射频输出功率加上25 dB的5G天线增益）；卫星地球站（ES）与5G站点之间的角分离（如图4（b）所示）为10°，且ES的离轴接收天线增益为7 dB；卫星低噪声块下变频器（LNB）的最大允许输入功率为-60 dBm；并且仅考虑LNB饱和干扰.