Die Millimeterwellen-(mmWave)-Filtertechnologie ist eine entscheidende Komponente für die Ermöglichung der flächendeckenden drahtlosen 5G-Kommunikation, steht jedoch vor zahlreichen Herausforderungen hinsichtlich physikalischer Abmessungen, Fertigungstoleranzen und Temperaturstabilität.
Im Bereich der gängigen 5G-Funkkommunikation wird sich der Fokus künftig auf die Nutzung von Frequenzen über 20 GHz innerhalb des mmWave-Spektrums verlagern, um die Bandbreitenkapazität zu erhöhen und letztendlich die Übertragungsraten zu steigern.
Es ist bekannt, dass Millimeterwellensignale aufgrund ihrer hohen Frequenzen und der signifikanten Dämpfung kleinere Antennen erfordern. Diese Antennen werden zu schmalstrahligen, hochverstärkenden Array-Antennen zusammengefasst.
Eine der größten Herausforderungen bei der Filterentwicklung besteht darin, die Filter an die Antennenabmessungen anzupassen, insbesondere bei Hochfrequenzfiltern. Darüber hinaus beeinflussen Fertigungstoleranzen und Temperaturstabilität der Filter jeden Aspekt der Produktentwicklung und -fertigung maßgeblich.
Größenbeschränkungen in der Millimeterwellentechnologie
Bei herkömmlichen Antennenarrays muss der Abstand zwischen den Elementen weniger als die halbe Wellenlänge (λ/2) betragen, um Interferenzen zu vermeiden. Dieses Prinzip gilt gleichermaßen für 5G-Beamforming-Antennen. Beispielsweise beträgt der Elementabstand einer Antenne, die im 28-GHz-Band arbeitet, etwa 5 mm. Folglich müssen die Komponenten innerhalb des Arrays extrem klein sein.
Phased-Array-Antennen, die in mmWave-Anwendungen eingesetzt werden, weisen häufig eine planare Struktur auf, wie unten dargestellt. Dabei werden die Antennen (gelbe Bereiche) auf Leiterplatten (grüne Bereiche) montiert, und die Leiterplatten (blaue Bereiche) können senkrecht zur Antennenplatine angeschlossen werden.
Der Platz auf diesen Leiterplatten ist bereits minimal, doch neue Technologien erforschen noch kompaktere, flache Strukturen, was bedeutet, dass Filter und andere Schaltungsblöcke deutlich kleiner sein müssen, um direkt auf der Rückseite der Antennen-Leiterplatte montiert werden zu können.
Auswirkungen von Fertigungstoleranzen auf Filter
Angesichts der Bedeutung von Millimeterwellenfiltern spielen Fertigungstoleranzen eine entscheidende Rolle und beeinflussen sowohl die Filterleistung als auch die Kosten.
Um diese Faktoren weiter zu untersuchen, verglichen wir drei verschiedene Herstellungsverfahren für 26-GHz-Filter:
Die folgende Tabelle gibt einen Überblick über typische extreme Toleranzen, die in der Produktion auftreten:
Toleranzauswirkungen auf Mikrostreifenfilter auf Leiterplatten
Wie unten dargestellt, wird ein Mikrostreifenfilterdesign gezeigt.
Die Simulationskurve des Designs sieht wie folgt aus:
Um den Einfluss der Toleranz auf diesen PCB-Mikrostreifenfilter zu untersuchen, wurden acht mögliche extreme Toleranzen ausgewählt, wodurch sich bemerkenswerte Unterschiede zeigten.
Toleranzauswirkungen auf Streifenleitungsfilter auf Leiterplatten
Der unten dargestellte Streifenleitungsfilter ist ein siebenstufiger Aufbau mit 30 mil RO3003-Dielektrikumplatten oben und unten.
Der Abfall ist weniger steil, und der Rechteckkoeffizient ist dem des Mikrostreifens aufgrund des Fehlens von Nullstellen in der Nähe des Durchlassbereichs unterlegen, was zu einer suboptimalen Oberwellenleistung bei entfernten Frequenzen führt.
Eine Toleranzanalyse zeigt in ähnlicher Weise eine bessere Empfindlichkeit im Vergleich zu Mikrostreifenleitungen.
Abschluss
Um höhere Übertragungsgeschwindigkeiten für 5G-Funkkommunikation zu erreichen, ist Millimeterwellen-Filtertechnologie mit Frequenzen von 20 GHz oder höher unerlässlich. Herausforderungen bestehen jedoch weiterhin hinsichtlich physikalischer Abmessungen, Toleranzstabilität und Fertigungskomplexität.
Daher muss der Einfluss von Toleranzen auf die Konstruktion sorgfältig berücksichtigt werden. Es ist offensichtlich, dass SMT-Filter eine höhere Stabilität aufweisen als Mikrostreifen- und Streifenleitungsfilter, was darauf hindeutet, dass SMT-Oberflächenmontagefilter sich als Standardlösung für zukünftige Millimeterwellen-Kommunikation etablieren könnten.
Concept, renowned for its expertise in RF filter manufacturing, offers a comprehensive selection of filters tailored to meet the unique requirements of 5G solutions. As a professional Original Design Manufacturer (ODM) and Original Equipment Manufacturer (OEM), Concept provides an extensive RF filter list for reference, ensuring compatibility and optimal performance for diverse 5G applications. To explore the available options, please visit their website at www.concept-mw.com . For further inquiries or to discuss specific project needs, feel free to contact the sales team at sales@concept-mw.com.
Veröffentlichungsdatum: 17. Juli 2024