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 centrará en la utilización de frecuencias superiores a 20 GHz dentro del espectro mmWave para mejorar la capacidad del ancho de banda y, en última instancia, aumentar las velocidades de transmisión.
Es bien sabido que debido a sus altas frecuencias y su importante pérdida de trayectoria, las señales mmWave necesitan antenas más pequeñas. Estas antenas se agrupan para formar un conjunto 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 de la temperatura de los filtros afectan significativamente todos los aspectos del diseño y la producción del producto.
Restricciones de tamaño en la tecnología mmWave
En los sistemas tradicionales de conjuntos de antenas, el espacio entre elementos debe ser inferior a la mitad de la longitud de onda (λ/2) para evitar interferencias. Este principio se aplica igualmente a las antenas de formación de haces 5G. Por ejemplo, una antena que funciona en la banda de 28 GHz tiene una separación entre elementos de aproximadamente 5 mm. En consecuencia, los componentes dentro del conjunto deben ser extremadamente pequeños.
Los arreglos en fase empleados en aplicaciones mmWave a menudo adoptan un diseño de estructura plana, como se ilustra a continuación, donde las antenas (áreas amarillas) se montan en placas de circuito impreso (PCB) (áreas verdes) y las placas de circuito (áreas azules) se pueden conectar perpendicularmente a las placa de antena.
El espacio en estas placas de circuito 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 montarse 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 desempeñan un papel fundamental e influyen tanto en el rendimiento como en el coste 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 que se encuentran en la producción:
Impacto de la tolerancia en los filtros Microstrip de PCB
Como se muestra a continuación, se muestra un diseño de filtro microstrip.
La curva de simulación de diseño es la siguiente:
Para estudiar el efecto de la tolerancia en este filtro microstrip de PCB, se seleccionaron ocho posibles tolerancias extremas, lo que reveló diferencias notables.
Impacto de la tolerancia en los filtros Stripline de PCB
El diseño del filtro stripline, 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 microcinta debido a la ausencia de ceros cerca de la banda de paso, lo que resulta en un rendimiento armónico subóptimo en frecuencias distantes.
De manera similar, un análisis de tolerancia indica una mejor sensibilidad en comparación con las líneas microstrip.
Conclusión
Para que la comunicación inalámbrica 5G alcance velocidades más rápidas, es imperativa la tecnología de filtro mmWave que opera a frecuencias de 20 GHz o más. Sin embargo, persisten desafíos en términos de dimensiones físicas, estabilidad de tolerancia y complejidades de fabricación.
Por tanto, se debe considerar cuidadosamente el impacto de las tolerancias en los diseños. Es evidente que los filtros SMT exhiben una mayor estabilidad que los filtros microstrip y stripline, lo que sugiere que los filtros SMT de montaje en superficie pueden surgir como la opción principal para futuras comunicaciones mmWave.
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Hora de publicación: 17-jul-2024