Die Millimeterwellen-Filtertechnologie (mmWave) ist eine entscheidende Komponente für die drahtlose 5G-Kommunikation im Mainstream, steht jedoch hinsichtlich der physikalischen Abmessungen, Fertigungstoleranzen und Temperaturstabilität vor zahlreichen Herausforderungen.
Im Bereich der gängigen 5G-Mobilfunkkommunikation wird sich der Schwerpunkt künftig auf die Nutzung von Frequenzen über 20 GHz innerhalb des mmWave-Spektrums verlagern, um die Bandbreitenkapazität zu erhöhen und so letztlich die Übertragungsraten zu steigern.
Es ist bekannt, dass mmWave-Signale aufgrund ihrer hohen Frequenzen und erheblichen Pfadverluste kleinere Antennen erfordern. Diese Antennen werden zu schmalstrahligen Array-Antennen mit hoher Verstärkung zusammengefasst.
Eine der größten Schwierigkeiten bei der Filterentwicklung liegt in der Anpassung an die Antennenabmessungen, insbesondere bei Hochfrequenzfiltern. Darüber hinaus wirken sich Fertigungstoleranzen und Temperaturstabilität der Filter erheblich auf alle Aspekte von Produktdesign und -produktion aus.
Größenbeschränkungen in der mmWave-Technologie
Bei herkömmlichen Antennenarray-Systemen muss der Abstand zwischen den Elementen weniger als die halbe Wellenlänge (λ/2) betragen, um Interferenzen zu vermeiden. Dieses Prinzip gilt auch für 5G-Beamforming-Antennen. Beispielsweise hat eine Antenne im 28-GHz-Band einen Elementabstand von etwa 5 mm. Folglich müssen die Komponenten innerhalb des Arrays extrem klein sein.
In mmWave-Anwendungen eingesetzte Phased-Array-Antennen weisen häufig eine planare Struktur auf, wie unten dargestellt, wobei Antennen (gelbe Bereiche) auf Leiterplatten (PCBs) (grüne Bereiche) montiert sind und Leiterplatten (blaue Bereiche) senkrecht zur Antennenplatine angeschlossen werden können.
Der Platz auf diesen Leiterplatten ist bereits minimal, aber neue Technologien erforschen noch kompaktere, flachere Strukturen, was bedeutet, dass Filter und andere Schaltungsblöcke erheblich kleiner sein müssen, um direkt auf der Rückseite der Antennen-Leiterplatte montiert zu werden.
Auswirkungen von Fertigungstoleranzen auf Filter
Angesichts der Bedeutung von mmWave-Filtern spielen Fertigungstoleranzen eine entscheidende Rolle und beeinflussen sowohl die Filterleistung als auch die Kosten.
Um diese Faktoren weiter zu untersuchen, haben wir drei verschiedene Herstellungsverfahren für 26-GHz-Filter verglichen:
In der folgenden Tabelle sind typische extreme Toleranzen aufgeführt, die bei der Produktion auftreten:
Toleranzauswirkungen auf PCB-Mikrostreifenfilter
Wie unten abgebildet, wird ein Mikrostreifenfilterdesign vorgestellt.
Die Design-Simulationskurve sieht wie folgt aus:
Um die Auswirkung der Toleranz auf diesen PCB-Mikrostreifenfilter zu untersuchen, wurden acht potenzielle Extremtoleranzen ausgewählt, die bemerkenswerte Unterschiede aufzeigten.
Toleranzauswirkungen auf PCB-Streifenleitungsfilter
Das unten gezeigte Streifenleitungsfilterdesign ist eine siebenstufige Struktur mit 30 mil RO3003-Dielektrikumplatten oben und unten.
Der Abfall ist weniger steil und der rechteckige Koeffizient ist aufgrund des Fehlens von Nullen in der Nähe des Durchlassbereichs schlechter als der des Mikrostreifens, was zu einer suboptimalen harmonischen Leistung bei entfernten Frequenzen führt.
Ebenso zeigt eine Toleranzanalyse eine bessere Empfindlichkeit im Vergleich zu Mikrostreifenleitungen.
Abschluss
Für höhere Geschwindigkeiten in der 5G-Mobilfunkkommunikation ist eine mmWave-Filtertechnologie mit Frequenzen von 20 GHz oder höher unerlässlich. Allerdings bestehen weiterhin Herausforderungen hinsichtlich der Abmessungen, der Toleranzstabilität und der Fertigungskomplexität.
Daher müssen die Auswirkungen von Toleranzen auf das Design sorgfältig berücksichtigt werden. Es ist offensichtlich, dass SMT-Filter eine höhere Stabilität aufweisen als Mikrostreifen- und Streifenleitungsfilter. Dies deutet darauf hin, dass sich SMT-Oberflächenmontagefilter als gängige Wahl für die zukünftige mmWave-Kommunikation herausstellen könnten.
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Veröffentlichungszeit: 17. Juli 2024