La tecnologia del filtro a onde millimetriche (mmWave) è un componente cruciale per consentire la comunicazione wireless 5G tradizionale, ma deve affrontare numerose sfide in termini di dimensioni fisiche, tolleranze di produzione e stabilità della temperatura.
Nel campo della comunicazione wireless 5G tradizionale, 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, aumentando in definitiva le velocità di trasmissione.
È noto che, a causa delle alte frequenze e della significativa perdita di percorso, i segnali mmWave necessitano di antenne più piccole. Queste antenne sono raggruppate insieme 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 produzione e la stabilità della temperatura dei filtri influiscono in modo significativo su ogni aspetto della progettazione e della produzione del prodotto.
Vincoli di dimensione nella tecnologia mmWave
Nei sistemi tradizionali di array 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 a fasi utilizzati nelle applicazioni mmWave spesso adottano un design a struttura planare, come illustrato di seguito, in cui le antenne (aree gialle) sono montate su schede a circuiti stampati (PCB) (aree verdi) e le schede a circuiti (aree blu) possono essere collegate perpendicolarmente al scheda dell'antenna.
Lo spazio 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 devono essere significativamente più piccoli per essere montati direttamente sul retro del PCB dell'antenna.
Impatto delle tolleranze di produzione sui filtri
Data l’importanza dei filtri mmWave, le tolleranze di produzione svolgono un ruolo fondamentale, influenzando sia le prestazioni che i costi del filtro.
Per indagare ulteriormente questi fattori, abbiamo confrontato tre distinti metodi di produzione dei filtri da 26 GHz:
La tabella seguente illustra le tolleranze estreme tipiche incontrate nella produzione:
Impatto della tolleranza sui filtri a microstriscia PCB
Come illustrato di seguito, viene mostrato il design di un filtro a microstriscia.
La curva di simulazione del progetto è la seguente:
Per studiare l'effetto della tolleranza su questo filtro a microstriscia PCB, sono state selezionate otto potenziali tolleranze estreme, rivelando differenze notevoli.
Impatto della tolleranza sui filtri stripline PCB
Il design del filtro stripline, mostrato di seguito, è una struttura a sette stadi con pannelli dielettrici RO3003 da 30 mil nella parte superiore e inferiore.
L'attenuazione è meno ripida e il coefficiente rettangolare è inferiore a quello della microstriscia a causa dell'assenza di zeri vicino alla banda passante, con conseguente prestazione armonica non ottimale a frequenze distanti.
Allo stesso modo, un'analisi di tolleranza indica una migliore sensibilità rispetto alle linee a microstriscia.
Conclusione
Affinché la comunicazione wireless 5G possa raggiungere velocità più elevate, è fondamentale la tecnologia di filtro mmWave che opera a frequenze di 20 GHz o superiori. Tuttavia, persistono 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 mostrano una maggiore stabilità rispetto ai filtri microstrip e stripline, suggerendo che i filtri SMT a montaggio superficiale potrebbero emergere come la scelta principale per le future comunicazioni mmWave.
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Orario di pubblicazione: 17 luglio 2024