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 domínio 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 bem sabido que, devido às suas altas frequências e perda significativa de caminho, os sinais mmWave necessitam de antenas menores. Essas antenas são agrupadas para formar antenas 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 de temperatura dos filtros impactam significativamente todos os aspectos do design e da produção do produto.
Restrições de tamanho na tecnologia mmWave
Em sistemas tradicionais de arranjo de antenas, o espaçamento entre os elementos deve ser menor que metade do comprimento de onda (λ/2) para evitar interferência. Este princípio se aplica igualmente às antenas de formação de feixe 5G. Por exemplo, uma antena operando na banda de 28 GHz tem um espaçamento entre elementos de aproximadamente 5 mm. Conseqüentemente, os componentes do conjunto devem ser extremamente pequenos.
Os phased arrays empregados em aplicações mmWave geralmente adotam um design de estrutura plana, conforme ilustrado abaixo, onde antenas (áreas amarelas) são montadas em placas de circuito impresso (PCBs) (áreas verdes) e placas de circuito (áreas azuis) podem ser conectadas perpendicularmente ao placa de antena.
O espaço nessas placas de circuito já é mínimo, mas as tecnologias emergentes estão explorando estruturas planas ainda mais compactas, o que implica que os filtros e outros blocos de circuito precisam ser significativamente menores para serem montados diretamente na parte traseira da placa de circuito impresso da antena.
Impacto das tolerâncias de fabricação nos 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 melhor esses fatores, comparamos três métodos distintos de fabricação de filtros de 26 GHz:
A tabela a seguir descreve tolerâncias extremas típicas encontradas na produção:
Impacto da tolerância em filtros PCB Microstrip
Conforme ilustrado abaixo, um design de filtro microstrip é apresentado.
A curva de simulação do projeto é a seguinte:
Para estudar o efeito da tolerância neste filtro microstrip PCB, oito tolerâncias extremas potenciais foram selecionadas, revelando diferenças notáveis.
Impacto da tolerância em filtros PCB Stripline
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 passante, resultando em desempenho harmônico abaixo do ideal em frequências distantes.
Da mesma forma, uma análise de tolerância indica melhor sensibilidade em comparação com linhas de microfita.
Conclusão
Para que a comunicação sem fio 5G atinja velocidades mais rápidas, a tecnologia de filtro mmWave operando a 20 GHz ou frequências mais altas é fundamental. No entanto, persistem desafios em termos de dimensões físicas, estabilidade de tolerância e complexidades de fabricação.
Assim, o impacto das tolerâncias nos projetos deve ser cuidadosamente considerado. É evidente que os filtros SMT exibem 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 postagem: 17 de julho de 2024