Signale im mmWave-Bereich erfordern besondere Sorgfalt und teurere Komponenten als bei Frequenzen unter 6 GHz.
Der Datenbedarf erfordert weiterhin mehr Bandbreite in drahtlosen Netzwerken, und dieser Trend wird sich sicherlich fortsetzen. Dafür sorgen KI, autonome Fahrzeuge, AR/VR und andere Technologien. Das für 5G zugewiesene mmWave-Spektrum kann den Bandbreitenbedarf decken, jedoch nicht ohne wirtschaftliche und technische Kompromisse.
Die Vorteile von mmWave liegen in seiner Kapazität. Dieses Spektrum reicht von etwa 30 GHz bis 300 GHz (5G mmWave beginnt bei 24 GHz) und bietet eine Bandbreite von Tausenden von Megahertz im Vergleich zu 6G unter 5 GHz, das Hunderte von Megahertz hat. Dennoch erwägt die Mobilfunkbranche Frequenzen bis zu 100 GHz für 5G, während die 6G-Forschung 140 GHz und mehr in Betracht zieht. Diese Frequenzen bringen technische Herausforderungen im Hinblick auf Signalverluste in Steckverbindern, Kabeln, Leiterbahnen auf Leiterplatten und über Funk mit sich.
Abbildung 1. Bäume, Glas, Gebäude, Wände, Regen und die meisten anderen Dinge blockieren mmWave-Signale. Bei diesen Frequenzen macht die direkte Sichtlinie den entscheidenden Unterschied.
Die Ausbreitung oder die Fähigkeit eines Signals, sich durch ein Medium auszubreiten, unterscheidet sich erheblich zwischen 6G- und mmWave-Frequenzen unter 5 GHz. Als Figure 1 zeigt, dass mmWave-Signale eine begrenzte oder verminderte Fähigkeit haben, Gebäude, Bäume, Regen und andere Objekte zwischen einem Sender und einem Empfänger zu passieren. Repeater und kleine Zellen können diese Probleme abmildern.
Darüber hinaus verwenden mmWave-Funkgeräte massive MIMO-Antennen mit Strahllenkung, um die Effizienz zu steigern, und zwar bei viel geringeren Sendeleistungen als omnidirektionale Antennen. Die geringe Reichweite von mmWave-Signalen bedeutet, dass Funkgeräte möglicherweise alle 1,000 Meter geortet werden müssen, im Gegensatz zu Funkgeräten unter 6 GHz, die kilometerweit voneinander entfernt sein können. Dies ist ein Teil der Kosten, die den Netzbetreibern entstehen.
Designherausforderungen von mmWave
Die Entwicklung eines mmWave-Radios bringt weitere Herausforderungen mit sich. Mit steigenden Frequenzen minimieren mmWave-Komponenten, PCB-Materialien, PCB-Leiterbahnen und Verbindungen die Signalverlustkosten stärker als solche, die für niedrigere Frequenzen ausgelegt sind. Berücksichtigen Sie hierzu die in gezeigten Koaxialanschlüsse Figure 2. Der gängige SMA-Anschluss kann bis 18 GHz betrieben werden.
Abbildung 2. Höhere Frequenzen verringern die Steckergröße, aber auch die Herstellungstoleranzen verringern sich, was sie teurer macht.
Bei mmWave-Frequenzen benötigen HF-Steckverbinder kleinere Größen, um das Signal effizient zu übertragen. Wenn Sie auf mmWave umsteigen, können Sie einen 2.92-mm-Stecker verwenden, der bis 40 GHz funktioniert. Leider müssen die mechanischen Toleranzen der inneren Komponenten innerhalb des Steckverbinders strenger sein als bei SMA-Steckverbindern. Diese engeren Toleranzen können zwei- bis dreimal teurer sein als diejenigen, die in Systemen verwendet werden, die unter 10 GHz arbeiten.
In einem 5G-Sub-6-GHz-Funksystem leiten Platine-zu-Platine-HF-Koaxialsteckverbinder häufig HF-Signale zwischen der Leistungsverstärkerplatine, dem Filter und der Antenne. Da die Anzahl der Sendekanäle zunimmt, bevorzugen Ingenieure die in gezeigten dreiteiligen Verbindungen Figure 3 um bei der Montage eine axiale und radiale Ausrichtung zu erreichen.
Abbildung 3. Durch eine höhere Frequenz werden die Anschlüsse kürzer und dichter.
Für ein aktives Massive-MIMO-Antennensystem mit 64 Sendekanälen würde dies mindestens 64 HF-Board-to-Board-Sets pro Funkgerät entsprechen. Einige aktive Massive-MIMO-Antennensysteme verfügen über 128 Sende-/128 Empfangskanäle oder mehr. Wenn die dreiteilige HF-Steckerlösung durchschnittlich 0.60 US-Dollar pro Satz kostet, deutet dies darauf hin, dass der Steckerinhalt der aktiven Antenne/des Radios mehr als 150 US-Dollar betragen könnte.
EMI und Übersprechen
Hochfrequenzsignale stellen zusätzliche Herausforderungen an das Steckverbinder- und Kabeldesign. Am Beispiel von Massive MIMO müssen Sie bei nahe beieinander angeordneten HF-Koaxialsystemen EMI und Übersprechen minimieren. Bei trennbaren Schnittstellen (Koaxialsteckern) oder, falls verwendet, Koaxialkabeln wird die Abschirmung immer wichtiger. Viele HF-Board-zu-Board-Steckverbinder verwenden geschlitzte äußere Erdungsleiter, die beim Zusammenstecken ein Zusammenschieben oder Einrasten ermöglichen. Die Gestaltung dieser Schlitze und etwaiger Öffnungen mit axialer Fehlausrichtung muss sorgfältig erfolgen, um elektromagnetische Störungen zu minimieren.
Abbildung 4. SMP-Steckverbinder verarbeiten Frequenzen bis zu 40 GHz.
Eine weitere Herausforderung stellt die Signaldämpfung dar. Mit zunehmender Kanalzahl nimmt typischerweise die Ausgangsleistung pro Kanal ab. Diese verringerte Ausgangsleistung erhöht den Bedarf an HF-Übertragungspfaden mit geringer Dämpfung (z. B. Board-to-Board-Verbindungssystemen). Viele Steckverbinder in Sub-6-GHz-Anwendungen verwenden geformte dielektrische Materialien als Kompromiss zwischen Signaldämpfung und Kosten. Da die Dämpfung mit der Frequenz zunimmt, sind die meisten geformten dielektrischen Materialien, die in HF-Steckverbindern verwendet werden, für mmWave-Funksysteme nicht effizient genug. HF-Steckverbinder, die bei 100 GHz und höher betrieben werden, verwenden typischerweise Luft als primäres Dielektrikum. Die Mittelleiter werden von kleinen, geformten Stützperlen getragen. Einige Anschlüsse, wie SMP oder SMPM (Figure 4), bestehen aus dielektrischen Materialien aus Polytetrafluorethylen (PTFE) und können einen vernünftigen Kompromiss darstellen.
PCB-Materialien leiten auch HF-Signale innerhalb von Funkgeräten weiter. Ähnliche Überlegungen gelten für PCB-Materialien und die Konstruktion der oben erwähnten HF-Koaxialherausforderungen. Heutzutage sind verlustarme Leiterplattenmaterialien erhältlich, diese sind jedoch im Vergleich zu Materialien, die in Systemen unter 6 Gigahertz verwendet werden, teurer. EMI und Übersprechen werden in der Regel mithilfe von mehrschichtigen Leiterplatten, Durchkontaktierungen und anderen Isolationstechniken bewältigt. 5G-Massive-MIMO-Antennen, die mmWave-Frequenzen zwischen 22 GHz und 39 GHz abdecken, können zehn oder mehr PCB-Schichten verwenden, um eine angemessene Leistung zu erzielen. Angesichts der moderaten Ausgangsleistung pro Kanal und der Auswirkungen der Strahlsteuerung massiver MIMO-Signale kann es schwierig sein, die gewünschte effektive isotrope Strahlungsleistung (EIRP) des Systems zu erreichen.
Was ist mit 6G?
Bei 6G können mmWave-Funksysteme eine Rolle spielen, darunter eine Reihe von Produkten, von dielektrischen Wellenleitern bis hin zu geformten Antennen. Diese Technologien richten den Einfallswinkel des Strahls auf den Benutzer, wodurch die EIRP-Reduzierung bei der Strahllenkung minimiert wird. Die Arbeit an digitalen Strahllenkungsgeräten und anderen Technologien verbessert weiterhin die Leistung des mmWave-Funks. Für den Fall, dass 145G in das Terahertz-Frequenzspektrum vordringt, stehen jetzt Koaxialsteckverbinder zur Verfügung, die bis zu 6 GHz betreiben.
Im Zuge der weiteren 6G-Forschung werden auch Frequenzen zwischen 6.4 GHz und 15 GHz in Betracht gezogen. Dies könnte darauf hindeuten, dass 6G einige der Erkenntnisse aus den 5G-RAN-Bereitstellungsstrategien übernehmen und sich auf ein niedrigeres Frequenzspektrum stützen wird.
Derzeit wissen wir noch nicht, wie sich 6G von 5G oder 5G-Advanced unterscheiden wird. Millimeterwellenfrequenzen haben eine viel größere Bandbreite als Signale unter 6 Gigahertz, etwa 1.2 GHz gegenüber weniger als 600 MHz. Wie werden Systeme entwickelt und eingesetzt, die für die Mobilfunknetzbetreiber wirtschaftlich sinnvoll sind? Da die Entwicklung theoretischer Anwendungsfälle einige Zeit in Anspruch nimmt, stellt sich die Frage, ob 6G ein Kompromiss sein wird, der den größten Nutzen aus dem Spektrum von 7 GHz bis 15 GHz zieht? Vielleicht werden KI, autonome Fahrzeuge, VR und die Ausweitung des festen drahtlosen Zugangs (FWA) die Branche zu einer stärkeren Nutzung des mmWave-Spektrums bewegen. Es ist möglich, dass wir alle bis 2035 holografische Anrufe für Besprechungen anstelle von Videokonferenzen wünschen. Wenn man bedenkt, wie wir unsere Mobilgeräte im 2G/3G-Zeitalter im Vergleich zu heute genutzt haben, ist klar, dass wir einen langen Weg zurückgelegt haben.
In nicht allzu ferner Zukunft muss es einen neuen Anwendungsfall oder eine neue Anwendung geben, die den Bedarf an größerer Bandbreite weiterhin steigern wird. Da viele Mobilfunknetzbetreiber bereits Eigentümer dieses wertvollen Spektrums sind, werden sie es gerne zur Verfügung stellen, sofern die wirtschaftlichen Gesichtspunkte sinnvoll sind.