A tecnologia de filtro de ondas milimétricas (mmWave) é um componente crucial para permitir a comunicação sem fio 5G convencional, mas enfrenta inúmeros desafios em termos de dimensões físicas, tolerâncias de fabricação e estabilidade de temperatura.
No âmbito da comunicação sem fio 5G convencional, o foco futuro mudará para a utilização de frequências acima de 20 GHz dentro do espectro mmWave para aumentar a capacidade de largura de banda, aumentando, em última análise, as taxas de transmissão.
É sabido que, devido às suas altas frequências e perda significativa de percurso, os sinais de ondas milimétricas necessitam de antenas menores. Essas antenas são agrupadas para formar antenas de matriz de feixe estreito e alto ganho.
Uma das principais dificuldades no projeto de filtros reside na adaptação às dimensões da antena, especialmente para filtros de alta frequência. Além disso, as tolerâncias de fabricação e a estabilidade térmica dos filtros impactam significativamente todos os aspectos do projeto e da produção do produto.
Restrições de tamanho na tecnologia mmWave
Em sistemas tradicionais de matriz de antenas, o espaçamento entre os elementos deve ser menor que a metade do comprimento de onda (λ/2) para evitar interferências. Este princípio também se aplica às antenas de formação de feixe 5G. Por exemplo, uma antena operando na banda de 28 GHz tem um espaçamento entre os elementos de aproximadamente 5 mm. Consequentemente, os componentes dentro da matriz devem ser extremamente pequenos.
Matrizes em fase empregadas em aplicações mmWave geralmente adotam um design de estrutura plana, conforme ilustrado abaixo, onde as antenas (áreas amarelas) são montadas em placas de circuito impresso (PCBs) (áreas verdes) e as placas de circuito (áreas azuis) podem ser conectadas perpendicularmente à placa da antena.
O espaço nessas placas de circuito já é mínimo, mas tecnologias emergentes estão explorando estruturas planas ainda mais compactas, o que implica que filtros e outros blocos de circuito precisam ser significativamente menores para serem montados diretamente na parte traseira do PCB da antena.
Impacto das tolerâncias de fabricação em filtros
Dada a importância dos filtros mmWave, as tolerâncias de fabricação desempenham um papel fundamental, influenciando tanto o desempenho quanto o custo do filtro.
Para investigar mais a fundo esses fatores, comparamos três métodos distintos de fabricação de filtros de 26 GHz:
A tabela a seguir descreve as tolerâncias extremas típicas encontradas na produção:
Impacto da tolerância em filtros microfita de PCB
Conforme ilustrado abaixo, um projeto de filtro microstrip é apresentado.
A curva de simulação do projeto é a seguinte:
Para estudar o efeito da tolerância neste filtro microstrip de PCB, oito tolerâncias extremas potenciais foram selecionadas, revelando diferenças notáveis.
Impacto da tolerância em filtros stripline de PCB
O projeto do filtro stripline, mostrado abaixo, é uma estrutura de sete estágios com placas dielétricas RO3003 de 30 mil na parte superior e inferior.
O roll-off é menos acentuado, e o coeficiente retangular é inferior ao da microfita devido à ausência de zeros perto da banda de passagem, resultando em desempenho harmônico abaixo do ideal em frequências distantes.
Da mesma forma, uma análise de tolerância indica melhor sensibilidade em comparação às linhas de microfita.
Conclusão
Para que a comunicação sem fio 5G alcance velocidades mais rápidas, a tecnologia de filtro mmWave operando em frequências de 20 GHz ou mais é essencial. No entanto, ainda existem desafios em termos de dimensões físicas, estabilidade de tolerância e complexidades de fabricação.
Portanto, o impacto das tolerâncias nos projetos deve ser cuidadosamente considerado. É evidente que os filtros SMT apresentam maior estabilidade do que os filtros microstrip e stripline, sugerindo que os filtros SMT de montagem em superfície podem emergir como a escolha principal para futuras comunicações mmWave.
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Horário da publicação: 17 de julho de 2024