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5G移动技术:更多的设备、更高的速度与移动性

—— 制造商下一步如何为自身成功定位
作者:Tim Gagnon(Molex)时间:2022-04-26来源:电子产品世界收藏


本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/202204/433514.htm

1   5G 的工作环境

3GPP 将设备和蜂窝之间的 5G 空中接口定义为新空口 (NR)。5G 的频率分配划分成了2个支配性的频带,即 FR1 和 FR2。当前的 NR 标准提供的频率支持范围从 600 MHz 左右一直到 50 GHz 以上。此外,研发方面也正在努力,使频率达到 100 GHz 及更高,甚至可以实现更高的速度。从电子设计的角度来看,这是波谱中非常大的一部分,其中 5G 频率范围的上下限之间存在着极其不同的信号特征。这一事实将迫使工程师们在设计过程的早期就要考虑产品将支持哪些频率,因为这个决定将会对后期开发阶段中的许多方面产生影响,我们在本白皮书中很快就会了解到这一点。

第1频带,也称为 FR1,可以进一步划分成低波段(600~700) MHz)和中波段(2.5~3.7) GHz)。在电磁波谱中,FR1 频带已经是非常拥挤的部分了。3G/4G蜂窝式移动电话台并不是在 6 GHz 以下的波谱中工作的仅有设备。这些频率里也充斥着 Wi-Fi、全球定位系统 (GPS)、蓝牙和 Zigbee 的通信信号。微波炉之类其他的非通信设备也在这一频率范围内运行,会产生极大的电磁噪声。6 GHz 以下充斥着大量的电磁活动,再加上对更高数据速率的需求,就促成了转向更高电磁波谱频率的必要性。

第2频带,即 FR2,含有范围从 (24~39) GHz 的毫米波长 (mmWave) 频率。简而言之,mmWave 频率的优势在于频率越高,数据速率就越快。低波段频率可提供类似于 4G 的、(25 ~200) Mbps 的下载速度,而 FR2 频带则可能提供 20 Gbps 的下行链路。从物理的角度说,毫米波的波长约为 1 cm~1 mm,与之相关的频率范围约在 (30~300) GHz。

速度的提升必然要伴随着一定的代价。首先,这些频率的传播在视线 (LOS) 上要受到很大的限制。在一定的距离上,频率越高,衰减的也就越快,因此并不会传播的足够远(称为路径损耗),并且穿透建筑物和茂密植被也要困难得多。为了对这类损耗做出补偿,需要部署更多的蜂窝基站,在城市环境中尤其是这样。目前存在着形形色色的蜂窝配置来应对现实情况下的毫米波频率。范围从可在数十米距离上操作约十几台设备的毫微微蜂窝,一直延伸到在数百米内操作几百台设备的城市站。

2   设计和工程上的考虑事项

5G 是无线通信性能上的一次巨大改进。这种性能的提升的确是以更高的复杂程度以及工程设计上独一无二的挑战为代价的。有关的挑战还特别包括了以下方面:

1)信号传输;

2)电源管理和热管理;

3)天线模块的布局和尺寸;

4)高频设备内信号。

首先,移动设备和基站之间将需要密切的协调。5G NR 在很大程度上依靠多输入多输出 (MIMO) 相控阵天线架构来实现波束赋形、波束指向和波束跟踪功能。这样最终可以大规模地在各端点之间达到最大的数据速率。然而,大型 MIMO 架构需要密集的天线配置,这就对电子组件的性能构成了挑战。

在更高的频率下,天线单元之间保持的物理距离极小。此外,更多的 5G 组件和更高的频率也意味着需要为通信子系统分配更多的功率预算。在这样的环境下提供毫米波的射频功率并耗散掉相应产生的热量会极具挑战性,需要在系统设计和材料的选择上有所创新。例如,转为使用基于第4代氮化镓 (GaN) 的场效晶体管,功率密度更高,从而实现庞大的 MIMO 架构所需的、尺寸更小的封装。其他可以显著影响到移动设备中 5G NR 性能的关键性组件包括天线和连接器。在 5G 运行环境的背景下,它们都面临着各自独一无二的挑战及考虑因素。

3   更多天线,更少空间

从技术的角度来看,5G 代表了一次革命性的升级,但是部署过程将呈现出极大的多样性,这是因为运营商会采用不同的波谱来构建自身的网络,这样就会使传输距离、延迟与数据携带能力上存在巨大的差异。尽管要花好几年的时间才能实现无处不在的 5G覆盖,许多种不同版本的 5G 网络建设将会加快步调。如此一来,由于前面谈到过的衰减性能,世界上的乡村地区也许永远不会享受到毫米波支持的数据速率所带来的好处,数据速率很可能只会获得 6 GHz 以下频率提供的支持,因而他们的 5G 网络也将会具有与 4G LTE 类似的下载能力(速度和延迟)。

此外,从 4G 到 5G 的过渡期间发布的移动设备几乎必定要整合多个天线,以便处理除了 5G 以外的3G 和 4G LTE 波形。另外,在可以预见的未来,低功耗蓝牙、IEEE 802.11 Wi-Fi 和 GPS 将继续在 6 GHz以下的频带下运行。这就是说,在设计时选择毫米波和 6 GHz 以下频率的天线,并不一定是一个非此即彼的过程。因此,对于移动设备的 OEM 来说,决定是否要添加适合毫米波频率的天线,在产品开发的设计阶段和工程阶段将产生一定的影响。如果选择不将毫米波天线包含在内,那当然会存在业绩上的隐忧,因为可能会影响到产品的销售,或者,起码会造成消费者的混淆。

5G 中,6 GHz 以下的频带更加接近当前的 4GLTE 频率。在这类相对较低的频率下,天线的布局只不过是性能方程上的一个组成部分。在确定设备无线通信的整体共振性能的过程中,天线和移动设备的内部配置之间存在着密切的关联。考虑到用户对于超薄移动设备的偏爱,天线工程师在调整天线的设计时,必须考虑到物理设计、材料选择与内部的组件配置。或者,在毫米波的频率下,天线和手机机体之间的交互并不太值得担忧。相反,挑战却在天线的覆盖层上面,无论覆盖层材料是金属、玻璃、甚至是塑料,在电气上都并不轻薄,甚至还会对下方天线的辐射性能产生明显的不利影响。此外,天线相对于设备用户手部的布局,也会对毫米波的发射和接收产生影响。将定制的天线设计和独一无二的天线布局与基于插槽的设计或频率选择表面 (FSS) 的设计原则结合到一起后,可以对移动设备天线的辐射图进行优化。此外,孔径调谐和阻抗调谐之类的天线调谐技术可以在更广的带宽上改善增益并延长电池寿命,因为经过调谐的天线消耗的电流要少于未经调谐的天线,便可以提供相同程度的发射功率。

4   建立连接:连接器对传输路径的影响

除了应对空中接口和相关天线的挑战,极高频率的 5G 信号还会为单晶微波积体电路 (MMIC)、芯片到封装的互连、电路板迹线、电缆组件及连接器带来进一步的挑战。千兆赫频率下信号的传播,使得电缆和迹线的行为有别于简单的电线,而是与传输线类似。在整个传输线的长度上,电流和电压的幅度和相位都会发生变化。如果在设计期间不正确处理的话,那么传输线会产生难以排除的错误。如果迹线长度超过信号波长的四分之一,则在设计过程中必须考虑传输线效应。另外,天线效应在这类的长度上会产生一定的影响,比如说电磁干扰和串扰,也必须由设计人员妥善处理。

为了实现有效而又具有极高效率的毫米波系统,连接器也会带来挑战。组件的设计人员必须应付对连接器的几何形状、尺寸及材料的选择构成了约束的各种要求,与此同时仍要与整条传输线上的特性阻抗相匹配。为了减少信号反射并实现最大的功率输送,阻抗匹配具有至关重要的作用。这样反过来又会使天线辐射的能量达到最大,尽可能为接收器生成最强的无线信号。与之前几代相比,5G 连接器必须能够应对高得多的功率(特定情形下可能出现 15 安以上的瞬时电流消耗)。下一代连接器的其他设计依据包括:

1)缩短射频端子;

2)提高屏蔽效果;

3)独一无二的屏蔽层布置。

在 5G 连接器更为严格的电气特性与机械性能、成本与制造的复杂程度之间,必须达到一种新的平衡。

●   高速连接器:在消费级产品内部,按照 5G 标准规定的速度在一系列组件之间推送数以百万比特计的数据,会构成重大的挑战,即使在 3G甚至 4G 设备设计方面富有经验的厂商也会遇到挑战。连接器必须经过精心的设计和制造,以使传输线上的阻抗变化减少到最低程度。否则,信号可能发生反射,造成性能降级。外部信号还会构成威胁。因此,连接器必须为系统提供充分的保护,防止电磁干扰 (EMI) 和电容器传感器产生外部信号,这一情况在更高的速度下会形成更大的挑战。

●   微型连接器:5G 连接器必须容纳于现代移动设备提供的狭小空间当中。堆叠式连接器允许在填充紧密的柔性和刚性电路板上使用。尽管存在着严格的物理约束,5G 的电子组件仍然必须符合对电压驻波比(VSWR) 和插入损耗 (IL) 之类散射参数的严格要求。精心设计的连接器应使信号的反射、降级与失真降至最低程度,与此同时还要减小自身的物理体积。连接器和相关的线束还必须配备充分的屏蔽措施,从而有效地降低 EMI;在毫米波的频率下,这一点甚至更加关键。

5   明日的 5G 组件,今天的情况

5G 应用中使用的组件,必须符合在移动设备中使用的严格电气要求与机械要求。5G 组件必须整合到(至少从一开始)还会包含原有 3G/4G 以及 Wi-Fi硬件的设备当中。对于消费类移动设备来说,这将是第一次使用毫米波频率。5G 组件选用过程中的其他考虑事项包括如下。

1)低延迟、低噪声:5G 会提供可观的速度,但这是以更高的设计复杂程度为代价的。组件必须经过认真细致的设计,确保对信号完整性以及系统的整体性能只会产生极小的影响,或者根本不会产生影响。

2)高密度:组件必须具有小巧的体积与极高的能效,从而实现所需的密度,满足对 5G NR 的性能规范的要求,比如说庞大的 MIMO 天线架构的要求。

3)成本效益:5G 组件提出了严格的要求,但是也被期待着可以嵌入到一切产品当中。那就意味着组件的成本必须保持在相对较低的水平,同时还要提供与当前的 4G 技术相比更高的性能。

4)可制造性:5G 组件和系统的设计可能会极其复杂,但物理组件的制造工艺不得过于繁复。5G 的制造工具和制造技术必须在低成本的条件下实现良好的产出,同时还要满足物理和电气的性能特性上的严格要求。

5)稳健性:5G 组件将会无处不在。因此,由于会存在形形色色的环境条件以及各不相同的用例,组件必须能够耐受嵌入到移动设备后出现的粗暴操作。

6   Molex的优势

在电信和数据通信行业数十年来从事创新以及所积累丰富经验的基础之上,Molex开发了颠覆性的技术,并且引领连接标准的制定,从而推动行业向前迈进。我们已经准备就绪,可以与那些期待着将 5G移动设备引入市场的参与者协作,并且分享Molex的专家经验。

Molex在 5G 的研究与开发上全力投入,采用了更加新颖、频率更高的测试室。Molex在产品设计与系统制造上的专家经验可以使设计人员创造出适合批量生产的 5G 产品。Molex的毫米波连接器极具成本效益,生产时可实现极大的批量。

对于电信和数据通信业的 OEM 来说,Molex是一家领先的供应商,从开发和生产到全寿

命的系统支持,在高速连接和信号完整性管理以及射频技术领域发展出了丰富的专家经验。在将射频天线、微型连接器和信号完整性设计上的丰富知识精心结合到一起后,Molex能够创造出各种创新性的解决方案,为行业领先的 5G 毫米波技术企业提供大力支持。

在进入 5G 移动设备市场的这场竞赛中,与Molex的协作可以助我们的 OEM 客户以一臂之力。除了广泛的产品线以及专业的员工以外,我们提供的能力与服务不可能在企业内部复制下来,即便有可能,那也是极其昂贵与困难的。我们一些突出的能力包括:

1)高速微型连接器设计上的专家经验:移动设备必须符合审美上的严格要求,比如说最小的产品物理尺寸(例如,厚度、质量)。将越来越多的功能塞入到移动设备之中,同时在极高的速度下运行,这就意味着组件必须同时在机械上和在电气上采取令人难以置信的精心设计。它们在物理上还必须足够的稳健,从而耐受移动设备每天都会遇到的粗暴操作。Molex提供一系列形形色色的连接器,包括镜像夹层连接器、(2.2~5) GHz 射频连接器系统及 QSFP 连接器,可提高设计上的灵活性并确保极高的操作效率。

2)天线设计上的专家经验:5G 设备需要独一无二的天线设计作业与材料,在更高一些的频率下尤为如此。Molex内部的设计专业人员可以针对客户的具体应用来协助设计 5G 天线。Molex的多种天线产品都已经准备就绪,可随时用于 6 GHz 以下的 5G 应用,包括编号为 5209142、146234、207901、208485 和213523 的这些型号。

3)6 GHz 以下天线和毫米波天线的 5G 电波暗室:对 5G 功能的产品进行测试以确保满足规范的要求,需要的设施与设备现在尚未普及开来。这一情况对于毫米波硬件来说尤其严重。Molex的测试设施能够测试低波段、中波段和毫米波的 5G 频带。在产品开发过程中与Molex合作,可以给予 OEM 以充分的信心,在产品发布前即可使产品和相应的组件接受彻底的测试。这样可以显著降低产品上市发生延误的风险。

4)高级仿真软件:Molex将稳健的电磁结构解算器软件整合到了设计流程当中,其中包括了 Ansys的高频结构模拟器 (HFSS) 和Computer SimulationTechnology公司 (CST) 旗下的Studio套装。HFSS 基于有限元的方法,而 CST 提供的则是可在时域和频域下工作的多种解算器。

5)高级 MID 技术:Molex在成型互连设备/激光直接成型 (MID/LDS) 技术方面大力投入,从而在三维上可以紧密的集成各种复杂的电气结构与机械结构。相对于传统上二维的制造工艺来说,MID/LDS 技术可以实现尺寸更小的 5G 组件,前者的两个设计域几乎没有整合起来。

6)5G 制造能力:我们可以协助 OEM,在 5G 的电气和射频要求与机械和易制性的要求之间实现良好的平衡。我们拥有世界一流的制造能力,可以为OEM 快速实现定制的设计。

(本文来源于《电子产品世界》杂志2020年10月期)



关键词: 202010

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