Le sfide nascoste della progettazione RF del 5G

L'arrivo del 5G ha introdotto una vasta gamma di sfide nella progettazione RF—alcune evidenti, altre meno. Ad esempio, le difficoltà associate alle onde millimetriche (mmWave) sono state ampiamente discusse, ma anche l'integrità del segnale e i costi dell'hardware rappresentano problemi significativi. Prima di rivelare l'intera portata di queste sfide, prendiamoci un momento per considerare chi ne è impattato. Il 5G è particolare in quanto rappresenta un grande cambiamento per tutto l'ecosistema. Per raggiungere i suoi benefici completi, sia i provider di telefonia mobile che i loro utenti finali devono adottare nuove mentalità. I progettisti di antenne, i progettisti di circuiti a microonde e persino coloro che lavorano su aree apparentemente non correlate come il design dei PCB si trovano tutti ad affrontare nuovi problemi. Ora diamo un'occhiata più da vicino alle questioni per capire perché il 5G offre sfide di progettazione così ampie e sottili (e anche alcune soluzioni!)

Poca propagazione vs. antenne array

Cominciamo con l'argomento principale: la propagazione del segnale. A differenza delle tecnologie cellulari precedenti, le onde millimetriche (mmWave) non viaggiano lontano. Edifici, terreno, persone e persino condizioni meteorologiche possono attenuare i segnali mmWave. Una conseguenza evidente è che gli operatori di telefonia mobile hanno bisogno di più stazioni base, più vicine ai loro utenti finali.   Tuttavia, anche con numerose stazioni base, la propagazione del segnale può rappresentare un problema. Dopotutto, i corpi umani sono ottimi assorbitori di frequenze mmWave. Questo significa che persino una mano che tiene un telefono può rendere inutilizzabile un segnale. Di conseguenza, i sistemi mmWave richiedono tipicamente antenne multiple e, ancor più importante, array di antenne.   Poiché molti ingegneri di antenne non hanno esperienza con gli array di antenne, questo requisito rappresenta una sfida significativa. In molti casi, i team di ingegneri dovranno includere ulteriori esperti con familiarità con le tecniche di beamforming e beam-steering per garantire che i segnali mmWave possano trovare un percorso con bassa attenuazione. (Vedi Figura 1.)

Integrità del segnale e interferenze

Ma c'è un altro aspetto da considerare: quando si lavora con segnali deboli, ogni frazione di un decibel (dB) conta. Ciò significa che le sfide legate alle mmWave (onde millimetriche) vanno ben oltre l'antenna.   I connettori, i percorsi e le connessioni che compongono l'antenna devono essere tutti progettati tenendo ben presente una straordinaria integrità del segnale (SI) end-to-end. Considerato che questi componenti gestiscono frequenze superiori ai 40 GHz, non è affatto una sfida semplice.   A complicare ulteriormente la situazione c'è il fatto che i segnali mmWave sono solo uno dei molti segnali RF presenti in un tipico dispositivo 5G. Per cominciare, lo spettro 5G include frequenze inferiori a 6 GHz (sub-6 GHz) oltre alle mmWave. I segnali sub-6 GHz sono più familiari ai progettisti di apparecchiature cellulari e possono coesistere facilmente con le tecnologie LTE. Tuttavia, la loro semplice presenza implica che i progettisti devono affrontare uno spettro più ampio rispetto al passato.   Inoltre, i dispositivi 5G sono generalmente dotati di una serie di altre tecnologie RF, incluse Wi-Fi, Bluetooth, UWB e NFC. Qualsiasi dispersione dal sistema mmWave ha il potenziale di influenzare gli altri bande di frequenza. Considerando che i segnali ad alta frequenza sono intrinsecamente più inclini alle dispersioni, questo rischio non dovrebbe essere sottovalutato.   Per affrontare queste sfide, i team di ingegneri devono diventare più collaborativi.   Nel nostro sondaggio “Confidenze di Progettisti” (Design Engineer Tell-All), il 90% dei team di ingegneri ha subito dei cambiamenti negli ultimi anni, con i gruppi di progettazione che hanno ampliato portata, competenza e specializzazione, dimostrando che la collaborazione è essenziale.   Mentre gli ingegneri SI devono valutare le prestazioni delle interconnessioni e delle linee di trasmissione, gli esperti di elettromagnetismo devono simultaneamente analizzare la dispersione RF. È importante tenere presente che le scelte progettuali spesso implicano compromessi. Ad esempio, una modifica che migliora l'integrità del segnale potrebbe facilmente introdurre nuovi problemi di dispersione, e i team devono lavorare insieme per valutare i compromessi.

Progettazione dei circuiti stampati e considerazioni sui costi

Certo, il design dei dispositivi 5G implica anche una vasta gamma di scelte per materiali e costruzione. L'intero processo di produzione per i sistemi RF e le antenne è cambiato radicalmente negli ultimi anni, aprendo un nuovo panorama di opzioni di progettazione.   Consideriamo il semplice circuito stampato (PCB). Già molti PCB sono stati sostituiti con circuiti stampati flessibili (FPC) poiché sono più facili da confezionare. Questo cambiamento ha molte implicazioni che vanno oltre l'ambito di questo articolo, ma i materiali utilizzati negli FPC continuano a evolversi, creando complesse valutazioni tra costo e prestazioni.   Ora c'è una tendenza verso plastiche placcate, materiali modellati e laminati realizzati con polimeri cristalli liquidi a bassa perdita (LCP). Questi materiali possono ridurre significativamente i costi, ma generano anche nuove preoccupazioni legate alla permittività. Tornando al nostro punto sui problemi di propagazione e le debolezze del segnale associati alle onde millimetriche (mmWave), è facile vedere come una scelta errata di materiali laminati potrebbe causare un degrado inaccettabile del segnale.   Il punto fondamentale? Quando si tratta del successo dei dispositivi 5G, gli ingegneri dei materiali e gli esperti di produzione sono tanto importanti quanto gli esperti di antenne e i progettisti di circuiti a microonde.

La collaborazione inizia presto

In effetti, tutti i team devono lavorare in armonia per raggiungere il giusto equilibrio tra le variabili di design. Per ottenere i migliori risultati, questa collaborazione deve iniziare presto nel processo di progettazione. I vecchi schemi che prevedevano di posticipare la progettazione RF fino a quando un dispositivo era quasi completato non sono più praticabili. Allo stesso modo, la fattibilità della produzione deve essere considerata fin dall'inizio.   Adottare fin da subito questa mentalità olistica è importante non solo per evitare obiettivi di progettazione conflittuali. Serve anche a garantire che i fornitori siano sufficientemente preparati a supportare decisioni progettuali complesse. Ed è proprio qui che Molex può fare la differenza.   Gli ingegneri di Molex portano con sé decenni di esperienza in RF, integrità del segnale, antenne e produzione, competenze essenziali per affrontare le sfide multifaccettate della progettazione 5G. I nostri investimenti nel 5G ci permettono di realizzare componenti con la massima precisione grazie a tecnologie e attrezzature di produzione 5G all'avanguardia—e le nostre camere di test RF ad alta frequenza ci aiutano a garantire le prestazioni dei prodotti fino nello spettro delle mmWave.   Sebbene Molex sia forse più conosciuta per la sua esperienza in connettori, queste altre aree di eccellenza sono fondamentali per supportare i nostri clienti. Il nostro obiettivo è essere un consulente nel vostro percorso verso la progettazione 5G. Comprendiamo le complessità di questa nuova era delle comunicazioni cellulari e siamo entusiasti di aiutarti a produrre dispositivi all'avanguardia.