5G射頻技術不為人知的設計挑戰

作者 : Tim Gagnon,Molex

5G通訊時代的到來,為廣泛的射頻(RF)工程設計帶來了挑戰,有些難題很突出,有些則不那麼明顯。舉例來說,與毫米波(mmWave)有關的設計難題已廣受業界討論,成為熱門議題,然而,同樣重要的訊號完整性和硬體成本問題卻較冷門。

揭示這些挑戰的全貌之前,讓我們先花點時間來考慮哪些人會受到影響。5G是非比尋常的通訊技術,它對整個行動通訊生態系統來說是巨大的進步。為了實現5G技術的全部優勢,行動通訊業者和終端使用者都必須採用全新的思維方式。天線工程師、微波電路工程師,甚至PCB設計工程師等看似無關產業領域的工作人士,都面臨著新的問題。

現在讓我們仔細研究這些問題,去了解為何5G帶來了如此廣泛和微妙的設計挑戰,以及一些解決方案!

傳播不良與陣列天線的關係

讓我們從最令人注目的主題開始:訊號的傳播。與之前的蜂巢式技術不同,毫米波的傳播距離不會很遠。建築物、地形、人體,甚至天氣都會使毫米波訊號發生衰減。因此,行動通訊業者需要設置更多基地站,以更接近終端使用者。

但是,即使有大量的基地站,訊號的傳播也可能存在問題。畢竟人體也是毫米波頻率的良好吸收體,當手掌接觸電話時就會影響通訊訊號。因此,毫米波系統通常需要多個天線,更重要的是需要使用天線陣列。

由於許多天線工程師缺乏天線陣列方面的經驗,使得這項要求成為他們所面臨的重大挑戰。在許多情況下,工程技術團隊將需要額外引進熟悉波束成形和波束轉向技術的人才,以確保毫米波訊號能夠找到低衰減的路徑(圖1)。

圖1:波束轉向操控天線陣列的主波方向。

訊號完整性和干擾

我們還需要從另一個角度進行思考:在處理微弱的訊號時,縱使是零點幾分貝的訊號也很重要。這意味著與毫米波有關的挑戰遠遠超出了天線的範圍。

在設計時,進入天線的饋電、導線和連接都必須考慮出色的端到端訊號完整性(SI)。由於這些元件處理的訊號頻率高於40GHz,這絕對是個不小的挑戰。

然而,毫米波訊號只是典型5G裝置中的許多RF訊號之一,使得挑戰更加複雜。首先,5G頻譜除了毫米波之外,還包括6GHz以下(Sub-6 GHz)頻段。蜂巢式設備工程師更加熟悉6GHz以下訊號,它們很容易與LTE技術共存。然而,這些訊號的存在,意味著設計工程師必須能夠應對比以往更加廣泛的頻譜。

更重要的是,5G裝置通常會結合一系列其他的RF技術,包括Wi-Fi、藍牙、UWB和NFC。毫米波系統的任何洩漏都有可能影響其他頻段。較高頻率的訊號本來就比較容易發生洩漏的緣故,人們不應低估這種風險。為了應對這些挑戰,各個工程技術團隊必須加強相互合作。

在我們的《設計工程師自述(Design Engineer Tell-All)》調研中,近年來90%的工程技術團隊發生了變化,設計工程團隊在範圍、專業知識和專業化程度不斷提升,證明了合作極為重要。

當訊號完整性工程師需要評估互連和傳輸線性能時,電磁學專家必須同時檢測RF訊號洩漏。請記住,設計選擇牽一髮而動全身,通常是要折衷妥協的。例如,訊號完整性的改進很可能會導致新的洩漏問題,因此技術團隊必須共同努力來進行評估取捨。

電路板設計和成本考慮

當然,5G設備設計也涉及大量的材料和結構選擇。在過去幾年裡,RF系統和天線的整個製造過程發生了巨大的變化,開闢出新的設計選擇領域。

思考一下不起眼的印刷電路板(PCB)。目前,許多PCB已經被更易於封裝的可撓性印刷電路板(FPC)取代。這一變化帶來的許多影響已超出了本文的討論範圍。但在FPC中使用的材料繼續演進發展之際,成本和性能方面也出現了複雜的取捨難題。

現在,人們開始轉向由低損耗液晶聚合物(LCP)製成的電鍍塑膠、模壓和層壓材料發展。這些材料可以大大削減成本,但它們也產生與介電常數有關的新問題。回到我們關於毫米波有關的傳播問題和微弱的訊號強度的觀點,很容易會發現,如果層壓材料選擇不當,將會造成不可接受的訊號衰減問題。

底線在哪裡?如果要成功實現5G裝置,材料工程師和製造專家與天線技術專家和微波電路設計人員同等重要。

合作始於早期階段

事實上,所有的工程技術團隊必須協調一致地工作,以實現設計變數的正確平衡。為了獲得最佳成果,RF設計必須在設計的早期階段開展,等到產品設計接近完成才開始RF設計已不可行了。同樣地,可製造性也必須從一開始就加以考慮。

採用這種全方位的思維方式,不僅是避免各個設計目標相互衝突,還可以讓供應商如何做好充分準備以支援困難的設計決策。這正是Molex莫仕能夠大展身手的領域。

Molex莫仕工程師在RF、訊號完整性、天線和製造方面擁有數十年的精深專業知識,這正是解決多方5G設計難題 所需要的。我們在5G技術方面進行了大量的投資,能夠以最高的精度製作元件,這要歸功於最先進的5G製造設備和技術。而且,我們的高頻RF測試室有助於確保產品在毫米波頻譜中達到良好的性能。

Molex莫仕在連接器方面的專長聞名於世,在許多其他領域亦有卓著表現,這些對於支援我們的客戶是極為重要的。公司的目標是在客戶的5G設計之路上化身顧問角色。我們全面瞭解5G全新蜂巢式網路通訊時代的複雜性,並且積極協助客戶生產先進的5G通訊設備。

活動簡介

人工智慧(AI)無所不在。這一波AI浪潮正重塑並徹底改變科技產業甚至整個世界的未來。如何有效利用AI協助設計與開發?如何透過AI從設計、製造到生產創造增強的體驗?如何以AI作為轉型與變革的力量?打造綠色永續未來?AI面對的風險和影響又是什麼?

AI⁺ 技術論壇聚焦人工智慧/機器學習(AI/ML)技術,涵蓋從雲端到邊緣、從硬體到軟體、從演算法到架構的AI/ML技術相關基礎設施之設計、應用與部署,協助您全面掌握AI最新技術趨勢與創新,接軌AI生態系佈局,讓機器學習更快速、更經濟、更聰明也更有效率。

贊助廠商

加入LINE@,最新消息一手掌握!

發表評論