La tecnologia dei filtri a onde millimetriche (mmWave) è un componente fondamentale per consentire la diffusione delle comunicazioni wireless 5G, ma deve affrontare numerose sfide in termini di dimensioni fisiche, tolleranze di fabbricazione e stabilità della temperatura.
Nell'ambito delle comunicazioni wireless 5G tradizionali, l'attenzione futura si sposterà verso l'utilizzo di frequenze superiori a 20 GHz all'interno dello spettro mmWave per migliorare la capacità di larghezza di banda, incrementando di conseguenza la velocità di trasmissione.
È noto che, a causa delle loro alte frequenze e della significativa perdita di percorso, i segnali mmWave richiedono antenne più piccole. Queste antenne vengono raggruppate per formare antenne array 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 in modo significativo su ogni aspetto della progettazione e della produzione del prodotto.
Vincoli dimensionali nella tecnologia mmWave
Nei sistemi tradizionali a schiera di antenne, la spaziatura 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 spaziatura tra gli elementi di circa 5 mm. Di conseguenza, i componenti all'interno dell'array devono essere estremamente piccoli.
Gli array di fase utilizzati nelle applicazioni mmWave 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 su queste schede a circuito stampato è già minimo, ma le tecnologie emergenti stanno esplorando strutture piatte ancora più compatte, il che implica che i filtri e gli altri blocchi di circuito debbano essere significativamente più piccoli per essere montati direttamente sul retro del PCB dell'antenna.
Impatto delle tolleranze di fabbricazione sui filtri
Data l'importanza dei filtri mmWave, le tolleranze di fabbricazione svolgono un ruolo fondamentale, influenzando sia le prestazioni che i costi del filtro.
Per approfondire ulteriormente questi fattori, abbiamo confrontato tre distinti metodi di produzione di filtri a 26 GHz:
La tabella seguente riassume le tolleranze estreme tipiche riscontrate in produzione:
Impatto della tolleranza sui filtri microstrip per PCB
Come illustrato di seguito, viene illustrato il progetto di un filtro a microstriscia.
La curva di simulazione del progetto è la seguente:
Per studiare l'effetto della tolleranza su questo filtro microstrip per PCB, sono state selezionate otto potenziali tolleranze estreme, che hanno rivelato differenze notevoli.
Impatto della tolleranza sui filtri stripline per PCB
Il design del filtro stripline, illustrato di seguito, è una struttura a sette stadi con schede dielettriche RO3003 da 30 mil nella parte superiore e inferiore.
Il roll-off è meno ripido e il coefficiente rettangolare è inferiore a quello della microstrip a causa dell'assenza di zeri in prossimità della banda passante, con conseguente prestazione armonica subottimale a frequenze distanti.
Allo stesso modo, un'analisi della tolleranza indica una migliore sensibilità rispetto alle linee microstrip.
Conclusione
Affinché le comunicazioni wireless 5G raggiungano velocità più elevate, è fondamentale la tecnologia di filtro mmWave che operi a frequenze pari o superiori a 20 GHz. Tuttavia, persistono sfide in termini di dimensioni fisiche, stabilità della tolleranza 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 prevalente per le future comunicazioni mmWave.
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Data di pubblicazione: 17/07/2024