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不为人知的5G RF设计挑战

2023-02-21 16:26:42 Molex莫仕公司Tim Gagnon 阅读:
不为人知的5G RF设计挑战
5G通信时代的到来,对广泛的射频(RF)工程设计带来了挑战,有些难题很突出,有些则不那么明显。举例来说,与毫米波(mmWave)有关的设计难题已被业界广泛讨论,成为热门议题,但信号完整性和硬件成本同样重要的问题却较冷门。

5G通信时代的到来,对广泛的射频(RF)工程设计带来了挑战,有些难题很突出,有些则不那么明显。举例来说,与毫米波(mmWave)有关的设计难题已被业界广泛讨论,成为热门议题,但信号完整性和硬件成本同样重要的问题却较冷门。NMxednc

在揭示这些挑战的总体范围之前,让我们花点时间来考虑哪些人会受到影响。5G是非同寻常的通信技术,它对整个移动通信生态系统来说是巨大的进步。为了实现5G技术的全部优势,移动运营商和终端用户都必须采用全新的思维方式。天线工程师、微波电路工程师,甚至PCB设计工程师等看似无关行业领域工作的人士,都面临着新的问题。NMxednc

现在让我们仔细研究这些问题,以了解为什么5G带来了如此广泛和微妙的设计挑战,以及一些解决方案!NMxednc

传播不良与阵列天线的关系

让我们从最吸睛的主题开始:信号的传播。与之前的蜂窝技术不同,毫米波的传播距离不会很远。建筑物、地形、人体,甚至天气都会使得毫米波信号发生衰减。因此,移动运营商需要建设更多基站,更接近终端用户。NMxednc

但是,即使有大量的基站,信号的传播也可能存在问题。毕竟人体也是毫米波频率的良好吸收体,当手掌接触手机时就会影响通信信号。因此,毫米波系统通常需要多个天线,更重要的是需要使用天线阵列。NMxednc

由于许多天线工程师缺乏天线阵列方面的经验,使得这项要求成为了他们的重大挑战。在许多情况下,工程技术团队将需要额外引进熟悉波束成形和波束转向技术(beamforming and beam-steering techniques)的人才,以确保毫米波信号能够找到低衰减的路径。(见图1)NMxednc

NMxednc

1.波束转向操控天线阵列的主波方向NMxednc

信号完整性和干扰

我们还需要从另一个角度思考:在处理微弱的信号时,纵使是零点几分贝也很重要。这意味着与毫米波有关的挑战远远超出了天线的范围。NMxednc

在设计时,进入天线的馈电、导线和连接都必须考虑出色的端到端信号完整性(SI)。鉴于这些组件处理的信号频率高于40GHz,这绝对不是小挑战。NMxednc

然而,毫米波信号只是典型5G设备中的许多射频信号之一,使得挑战更加复杂。首先,5G频谱除了毫米波之外,还包括6GHz以下(Sub-6 GHz)频率。蜂窝设备设计工程师更加熟悉6GHz以下信号,它们很容易与LTE技术共存。然而,这些信号的存在,意味着设计工程师必须应对比以前更加广泛的频谱。NMxednc

更重要的是,5G设备通常会结合一系列其他的射频技术,包括Wi-Fi、蓝牙、UWB和NFC。毫米波系统的任何泄漏都有可能影响其他频段。鉴于较高频率的信号本身就更容易发生泄漏,人们不应低估这种风险。为了应对这些挑战,各个工程技术团队必须增强相互协作。NMxednc

在我们的“设计工程师自述(Design Engineer Tell-All)”调研中,近年来90%的工程技术团队发生了改变,设计工程团队的范围、专业知识和专业化程度不断增加,这些变化证明协作是至关重要的。NMxednc

当信号完整性(SI)工程师需要评估互连和传输线性能时,电磁学专家必须同时检测射频信号泄漏。请记住,设计选择牵一发而动全身,通常是要折衷妥协的。例如,改善SI的变动很可能会带来新的泄漏问题,团队必须共同努力来评估权衡。NMxednc

电路板设计和成本考虑

当然,5G设备设计也涉及大量的材料和结构选择。在过去几年里,射频系统和天线的整个制造过程发生了巨大的变化,开辟了新的设计选择领域。NMxednc

考虑一下不起眼的印刷电路板(PCB)。目前,许多PCB已经让位于更容易封装的柔性印刷电路(FPC)。这一变化带来了许多影响,超出了本文讨论范围。FPC中使用的材料继续演进发展,在成本和性能方面产生了复杂的权衡决策考虑。NMxednc

现在,人们开始转向由低损耗液晶聚合物(LCP)制成的电镀塑料、模压和层压材料。这些材料可以大大削减成本,但它们也产生与容限有关的新问题。回到我们关于毫米波有关的传播问题和微弱的信号强度的观点,很容易发现,如果层压材料选择不当,会造成不可接受的信号衰减。NMxednc

底线是什么呢?如果要实现5G设备的成功,材料工程师和制造专家与天线技术专家和微波电路设计师同样重要。NMxednc

从早期开始协作

事实上,所有的工程技术团队必须协调一致地工作,以实现设计变量的正确平衡。为了达到最佳的效果,射频设计必须在设计的早期阶段开展。如陈旧模式等到设备设计接近完成,才开始射频设计已经不可行了。同样地,可制造性也必须从一开始就加以考虑。NMxednc

采用这种全面的思维方式,不仅是避免各个设计目标相互冲突,还可以让供应商了解设计中遇到的困难并为快速决策做好充分准备。这正是Molex莫仕能够大展身手的领域。NMxednc

Molex莫仕工程师在射频、信号完整性、天线和制造方面拥有数十年的精深专业知识,这正是解决多方位5G设计难题所需要的。我们在5G技术方面进行了大量的投资,能够以最高的精度制作元器件,这要归功于最先进的5G制造设备和技术。而且,我们的高频RF测试室帮助确保产品在毫米波频谱中达到良好的性能。NMxednc

Molex莫仕在连接器方面的专长闻名于世,在许多其他领域亦有卓著表现,这些对于支持客户是至关重要的。公司的目标是在客户的5G设计之路上充当军师顾问。我们全面了解5G全新蜂窝通信时代的复杂性,并且积极帮助客户生产出先进的5G通信设备。NMxednc

责编:Franklin
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