Die Millimeterwellenfiltertechnologie (mmWave) ist eine entscheidende Komponente für die Ermöglichung der gängigen drahtlosen 5G-Kommunikation, steht jedoch vor zahlreichen Herausforderungen in Bezug auf physikalische Abmessungen, Fertigungstoleranzen und Temperaturstabilität.
Im Bereich der Mainstream-5G-Drahtloskommunikation wird sich der Schwerpunkt künftig auf die Nutzung von Frequenzen über 20 GHz im mmWave-Spektrum verlagern, um die Bandbreitenkapazität zu erhöhen und letztendlich die Übertragungsraten zu steigern.
Es ist bekannt, dass mmWave-Signale aufgrund ihrer hohen Frequenzen und erheblichen Pfaddämpfung kleinere Antennen erfordern. Diese Antennen werden zu Array-Antennen mit schmalem Strahl und hoher Verstärkung zusammengefasst.
Eine der Hauptschwierigkeiten beim Filterdesign liegt in der Anpassung an die Antennenabmessungen, insbesondere bei Hochfrequenzfiltern. Darüber hinaus wirken sich die Fertigungstoleranzen und die Temperaturstabilität von Filtern erheblich auf jeden Aspekt des Produktdesigns und der Produktion aus.
Größenbeschränkungen in der mmWave-Technologie
In herkömmlichen Antennenarraysystemen 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 im 28-GHz-Band betriebene Antenne einen Elementabstand von etwa 5 mm. Daher müssen die Komponenten innerhalb des Arrays äußerst klein sein.
Phased Arrays, die in mmWave-Anwendungen eingesetzt werden, weisen häufig ein planares Strukturdesign auf, wie unten dargestellt, bei dem Antennen (gelbe Bereiche) auf Leiterplatten (PCBs) (grüne Bereiche) montiert werden und Leiterplatten (blaue Bereiche) senkrecht dazu verbunden werden können Antennenplatine.
Der Platz auf diesen Leiterplatten ist bereits minimal, aber neue Technologien erforschen noch kompaktere flache Strukturen, was bedeutet, dass Filter und andere Schaltungsblöcke deutlich kleiner sein müssen, um direkt auf der Rückseite der Antennenleiterplatte montiert zu werden.
Einfluss 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 Herstellungsmethoden für 26-GHz-Filter verglichen:
In der folgenden Tabelle sind typische extreme Toleranzen aufgeführt, die in der Produktion auftreten:
Toleranzauswirkungen auf PCB-Mikrostreifenfilter
Wie unten dargestellt, wird das Design eines Mikrostreifenfilters gezeigt.
Die Entwurfssimulationskurve sieht wie folgt aus:
Um die Auswirkung der Toleranz auf diesen PCB-Mikrostreifenfilter zu untersuchen, wurden acht potenzielle extreme Toleranzen ausgewählt, die bemerkenswerte Unterschiede zeigten.
Toleranzauswirkungen auf PCB-Streifenleitungsfilter
Das unten gezeigte Streifenleitungsfilterdesign ist eine siebenstufige Struktur mit dielektrischen 30-mil-RO3003-Platten oben und unten.
Der Abfall ist weniger steil und der Rechteckkoeffizient ist aufgrund des Fehlens von Nullstellen in der Nähe des Durchlassbands schlechter als der des Mikrostreifenleiters, was zu einer suboptimalen harmonischen Leistung bei entfernten Frequenzen führt.
Ebenso weist eine Toleranzanalyse auf eine bessere Empfindlichkeit im Vergleich zu Mikrostreifenleitungen hin.
Abschluss
Damit die drahtlose 5G-Kommunikation schnellere Geschwindigkeiten erreichen kann, ist die mmWave-Filtertechnologie, die bei 20 GHz oder höheren Frequenzen arbeitet, unerlässlich. Es bestehen jedoch weiterhin Herausforderungen hinsichtlich der physikalischen Abmessungen, der Toleranzstabilität und der Komplexität der Herstellung.
Daher müssen die Auswirkungen von Toleranzen auf die Konstruktion sorgfältig abgewogen werden. Es ist offensichtlich, dass SMT-Filter eine höhere Stabilität aufweisen als Mikrostreifen- und Streifenleitungsfilter, was darauf hindeutet, dass sich oberflächenmontierte SMT-Filter zur Hauptwahl für die zukünftige mmWave-Kommunikation entwickeln könnten.
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Zeitpunkt der Veröffentlichung: 17. Juli 2024