La tecnologia dei filtri a onde millimetriche (mmWave) è un componente cruciale per consentire la diffusione delle comunicazioni wireless 5G, ma deve affrontare numerose sfide in termini di dimensioni fisiche, tolleranze di produzione e stabilità termica.
Nell'ambito delle comunicazioni wireless 5G di uso comune, l'attenzione futura si sposterà sull'utilizzo di frequenze superiori a 20 GHz all'interno dello spettro delle onde millimetriche (mmWave) per migliorare la capacità di banda e, in definitiva, aumentare le velocità di trasmissione.
È risaputo che, a causa delle loro alte frequenze e della significativa attenuazione del segnale, i segnali a onde millimetriche richiedono antenne di dimensioni ridotte. Queste antenne vengono raggruppate per formare antenne a schiera a fascio stretto e ad alto guadagno.
Una delle principali difficoltà nella progettazione dei filtri risiede nell'adattamento alle dimensioni dell'antenna, soprattutto per i filtri ad alta frequenza. Inoltre, le tolleranze di fabbricazione e la stabilità termica dei filtri influiscono significativamente su ogni aspetto della progettazione e della produzione del prodotto.
Vincoli dimensionali nella tecnologia a onde millimetriche
Nei sistemi tradizionali di antenne a schiera, la distanza tra gli elementi deve essere inferiore alla metà della lunghezza d'onda (λ/2) per evitare interferenze. Questo principio si applica anche alle antenne beamforming 5G. Ad esempio, un'antenna che opera nella banda dei 28 GHz ha una distanza tra gli elementi di circa 5 mm. Di conseguenza, i componenti all'interno della schiera devono essere estremamente piccoli.
Le antenne a schiera di fase impiegate nelle applicazioni a onde millimetriche adottano spesso una struttura planare, come illustrato di seguito, in cui le antenne (aree gialle) sono montate su circuiti stampati (PCB) (aree verdi) e i circuiti stampati (aree blu) possono essere collegati perpendicolarmente alla scheda dell'antenna.
Lo spazio disponibile su questi circuiti stampati è già minimo, ma le tecnologie emergenti stanno esplorando strutture piatte ancora più compatte, il che implica che i filtri e gli altri blocchi circuitali dovranno essere significativamente più piccoli per poter essere montati direttamente sul retro del PCB dell'antenna.
Impatto delle tolleranze di produzione sui filtri
Considerata l'importanza dei filtri a onde millimetriche, le tolleranze di fabbricazione rivestono un ruolo fondamentale, influenzando sia le prestazioni del filtro che il suo costo.
Per approfondire questi fattori, abbiamo confrontato tre diversi metodi di produzione di filtri a 26 GHz:
La tabella seguente illustra le tolleranze estreme tipiche riscontrate in produzione:
Impatto della tolleranza sui filtri a microstriscia per PCB
Come illustrato di seguito, viene mostrato un esempio di filtro a microstriscia.
La curva di simulazione del progetto è la seguente:
Per studiare l'effetto della tolleranza su questo filtro a microstriscia per PCB, sono state selezionate otto potenziali tolleranze estreme, che hanno rivelato differenze notevoli.
Impatto della tolleranza sui filtri a striscia per PCB
Il filtro stripline, illustrato di seguito, è una struttura a sette stadi con dielettrici RO3003 da 30 mil nella parte superiore e inferiore.
La pendenza di attenuazione è meno ripida e il coefficiente rettangolare è inferiore a quello della microstriscia a causa dell'assenza di zeri in prossimità della banda passante, con conseguente prestazione armonica subottimale alle frequenze distanti.
Analogamente, un'analisi di tolleranza indica una migliore sensibilità rispetto alle linee a microstriscia.
Conclusione
Affinché la comunicazione wireless 5G raggiunga velocità superiori, è indispensabile la tecnologia di filtraggio a onde millimetriche (mmWave) operante a frequenze di 20 GHz o superiori. Tuttavia, permangono delle sfide in termini di dimensioni fisiche, stabilità delle tolleranze e complessità di produzione.
Pertanto, l'impatto delle tolleranze sui progetti deve essere attentamente considerato. È evidente che i filtri SMT presentano una maggiore stabilità rispetto ai filtri microstrip e stripline, il che suggerisce che i filtri SMT a montaggio superficiale potrebbero affermarsi come la scelta principale per le future comunicazioni a onde millimetriche.
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Data di pubblicazione: 17 luglio 2024