A tecnologia de filtros de ondas milimétricas (mmWave) é um componente crucial para viabilizar a comunicação sem fio 5G em larga escala, mas enfrenta inúmeros desafios em termos de dimensões físicas, tolerâncias de fabricação e estabilidade de temperatura.
No âmbito das comunicações sem fio 5G convencionais, o foco futuro se voltará para a utilização de frequências acima de 20 GHz dentro do espectro de ondas milimétricas para aumentar a capacidade de largura de banda, impulsionando, em última análise, as taxas de transmissão.
É sabido que, devido às suas altas frequências e à significativa perda de percurso, os sinais de ondas milimétricas exigem antenas menores. Essas antenas são agrupadas para formar conjuntos de 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 térmica dos filtros impactam significativamente todos os aspectos do projeto e da produção do produto.
Limitações de tamanho na tecnologia de ondas milimétricas
Em sistemas tradicionais de antenas em arranjo, o espaçamento entre os elementos deve ser menor que metade do comprimento de onda (λ/2) para evitar interferências. Esse princípio se aplica igualmente às antenas de formação de feixe 5G. Por exemplo, uma antena operando na banda de 28 GHz possui um espaçamento entre elementos de aproximadamente 5 mm. Consequentemente, os componentes dentro do arranjo devem ser extremamente pequenos.
Os arranjos de antenas em fase empregados em aplicações de ondas milimétricas geralmente adotam um design de estrutura planar, como 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 disponível nessas placas de circuito impresso 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 de ondas milimétricas, 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 as tolerâncias extremas típicas encontradas na produção:
Impacto da tolerância em filtros microstrip de PCB
Conforme ilustrado abaixo, é apresentado um projeto de filtro microstrip.
A curva de simulação do projeto é a seguinte:
Para estudar o efeito da tolerância neste filtro microstrip de PCB, foram selecionadas oito tolerâncias extremas potenciais, revelando diferenças notáveis.
Impacto da tolerância em filtros de 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.
A atenuação é menos acentuada e o coeficiente retangular é inferior ao da microfita devido à ausência de zeros próximos à 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 com as 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 superiores é imprescindível. No entanto, ainda existem 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 apresentam maior estabilidade do que os filtros de microfita e de linha de transmissão, sugerindo que os filtros de montagem em superfície SMT podem se tornar a principal escolha para as futuras comunicações em ondas milimétricas.
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Data da publicação: 17 de julho de 2024