La tecnología de filtro de ondas milimétricas (mmWave) es un componente crucial para permitir la comunicación inalámbrica 5G convencional, pero enfrenta numerosos desafíos en términos de dimensiones físicas, tolerancias de fabricación y estabilidad de temperatura.
En el ámbito de la comunicación inalámbrica 5G convencional, el enfoque futuro se desplazará hacia el uso de frecuencias superiores a 20 GHz dentro del espectro mmWave para mejorar la capacidad de ancho de banda, lo que en última instancia impulsará las tasas de transmisión.
Es bien sabido que, debido a sus altas frecuencias y a la considerable pérdida de trayectoria, las señales de ondas milimétricas requieren antenas más pequeñas. Estas antenas se agrupan para formar conjuntos de antenas de haz estrecho y alta ganancia.
Una de las principales dificultades en el diseño de filtros radica en la adaptación a las dimensiones de la antena, especialmente para filtros de alta frecuencia. Además, las tolerancias de fabricación y la estabilidad térmica de los filtros influyen significativamente en todos los aspectos del diseño y la producción del producto.
Restricciones de tamaño en la tecnología mmWave
En los sistemas tradicionales de antenas, la separación entre elementos debe ser inferior a la mitad de la longitud de onda (λ/2) para evitar interferencias. Este principio también se aplica a las antenas con formación de haz 5G. Por ejemplo, una antena que opera en la banda de 28 GHz tiene una separación entre elementos de aproximadamente 5 mm. Por consiguiente, los componentes del conjunto deben ser extremadamente pequeños.
Los arreglos en fase empleados en aplicaciones de mmWave a menudo adoptan un diseño de estructura plana, como se ilustra a continuación, donde las antenas (áreas amarillas) están montadas en placas de circuito impreso (PCB) (áreas verdes) y las placas de circuito (áreas azules) se pueden conectar perpendicularmente a la placa de antena.
El espacio en estas placas de circuitos ya es mínimo, pero las tecnologías emergentes están explorando estructuras planas aún más compactas, lo que implica que los filtros y otros bloques de circuitos deben ser significativamente más pequeños para ser montados directamente en la parte posterior de la PCB de la antena.
Impacto de las tolerancias de fabricación en los filtros
Dada la importancia de los filtros mmWave, las tolerancias de fabricación juegan un papel fundamental e influyen tanto en el rendimiento como en el costo del filtro.
Para investigar más a fondo estos factores, comparamos tres métodos distintos de fabricación de filtros de 26 GHz:
La siguiente tabla describe las tolerancias extremas típicas encontradas en la producción:
Impacto de la tolerancia en los filtros de microbanda de PCB
Como se muestra a continuación, se muestra un diseño de filtro de microbanda.
La curva de simulación de diseño es la siguiente:
Para estudiar el efecto de la tolerancia en este filtro de microbanda de PCB, se seleccionaron ocho tolerancias extremas potenciales, que revelaron diferencias notables.
Impacto de la tolerancia en los filtros de línea de banda de PCB
El diseño del filtro de línea de banda, que se muestra a continuación, es una estructura de siete etapas con placas dieléctricas RO3003 de 30 mil en la parte superior e inferior.
La caída es menos pronunciada y el coeficiente rectangular es inferior al de la microbanda debido a la ausencia de ceros cerca de la banda de paso, lo que da como resultado un rendimiento armónico subóptimo en frecuencias distantes.
De manera similar, un análisis de tolerancia indica una mejor sensibilidad en comparación con las líneas de microbanda.
Conclusión
Para que la comunicación inalámbrica 5G alcance velocidades más rápidas, es fundamental contar con tecnología de filtros mmWave que operen a frecuencias de 20 GHz o superiores. Sin embargo, persisten desafíos en cuanto a dimensiones físicas, estabilidad de tolerancias y complejidades de fabricación.
Por lo tanto, es necesario considerar cuidadosamente el impacto de las tolerancias en los diseños. Es evidente que los filtros SMT presentan mayor estabilidad que los filtros microstrip y stripline, lo que sugiere que los filtros SMT de montaje superficial podrían convertirse en la opción principal para las futuras comunicaciones de ondas milimétricas.
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Hora de publicación: 17 de julio de 2024