Las señales en el rango mmWave requieren cuidado especial y componentes más caros que en frecuencias inferiores a 6 GHz.
La demanda de datos sigue presionando para que haya más ancho de banda en las redes inalámbricas, y esta tendencia seguramente continuará. La IA, los vehículos autónomos, la AR/VR y otras tecnologías se encargarán de ello. El espectro mmWave asignado para 5G puede satisfacer las necesidades de ancho de banda, pero no sin compensaciones económicas y técnicas.
Los beneficios de mmWave giran en torno a su capacidad. Este espectro, de aproximadamente 30 GHz a 300 GHz (5G mmWave comienza en 24 GHz), ofrece miles de megahercios de ancho de banda en comparación con el 6G por debajo de 5 GHz, que tiene cientos de megahercios. Aun así, la industria inalámbrica está considerando frecuencias de hasta 100 GHz para 5G, y la investigación sobre 6G analiza 140 GHz y más. Estas frecuencias plantean desafíos técnicos en términos de pérdidas de señal en conectores, cables, trazas de PCB y por aire.
Figura 1. Los árboles, el vidrio, los edificios, las paredes, la lluvia y la mayoría de las otras cosas bloquean las señales de ondas milimétricas. En estas frecuencias, la línea de visión directa marca la diferencia.
La propagación, o la capacidad de una señal para viajar a través de un medio, difiere significativamente entre las frecuencias 6G sub-5 GHz y mmWave. Como Figura 1 y XNUMX Como muestra, las señales mmWave tienen una capacidad limitada o disminuida para atravesar edificios, árboles, lluvia y otros objetos entre un transmisor y un receptor. Los repetidores y las celdas pequeñas pueden mitigar esos problemas.
Además, las radios mmWave utilizan antenas MIMO masivas con dirección del haz para aumentar la eficiencia y con niveles de potencia de transmisión mucho más bajos que las antenas omnidireccionales. El corto alcance de las señales mmWave significa que es posible que sea necesario ubicar las radios cada 1,000 metros, a diferencia de las radios por debajo de 6 GHz, que pueden estar a kilómetros de distancia. Este es un elemento del costo que enfrentan los operadores de redes.
Desafíos de diseño de mmWave
Diseñar una radio mmWave plantea otros desafíos. A medida que aumentan las frecuencias, los componentes mmWave, los materiales de PCB, las trazas de PCB y las interconexiones minimizan los costos de pérdida de señal más que aquellos diseñados para frecuencias más bajas. Para esto, considere los conectores coaxiales que se muestran en Figura 2 y XNUMX. El conector SMA común puede funcionar hasta 18 GHz.
Figura 2. Las frecuencias más altas reducen el tamaño del conector, pero las tolerancias de fabricación también se reducen, lo que los encarece.
En frecuencias mmWave, los conectores RF necesitan tamaños más pequeños para transportar la señal de manera eficiente. Al pasar a mmWave, puede utilizar un conector de 2.92 mm que puede funcionar a 40 GHz. Desafortunadamente, las tolerancias mecánicas de los componentes internos dentro del conector deben ser más estrictas que para los conectores SMA. Estas tolerancias más estrictas pueden resultar entre dos y tres veces más costosas que las utilizadas en sistemas que funcionan por debajo de 10 GHz.
En un sistema de radio 5G sub-6 GHz, los conectores coaxiales de RF de placa a placa a menudo enrutan señales de RF entre la placa del amplificador de potencia, el filtro y la antena. A medida que aumenta el número de canales de transmisión, los ingenieros prefieren las conexiones de tres piezas que se muestran en Figura 3 y XNUMX para lograr la alineación axial y radial durante el montaje.
Figura 3. El aumento de frecuencia hace que los conectores sean más cortos y densos.
Para un sistema de antena MIMO masivo activo con 64 canales de transmisión, esto equivaldría a al menos 64 conjuntos de placa a placa de RF por radio. Algunos sistemas masivos de antenas activas MIMO tienen 128 canales de transmisión/128 de recepción o más. Si la solución de tres piezas del conector RF cuesta un promedio de $0.60 por juego, esto sugiere que el contenido del conector de la antena/radio activa podría ser más de $150.
EMI y diafonía
Las señales de alta frecuencia plantean desafíos adicionales para los diseños de conectores y cables. Usando el ejemplo de MIMO masivo, con sistemas coaxiales de RF ubicados cerca uno del otro, debe minimizar la EMI y la diafonía. El blindaje se vuelve más crítico en interfaces separables (conectores coaxiales) o, si se usan, cables coaxiales. Muchos conectores placa a placa de RF utilizan conductores de tierra externos ranurados que les permiten deslizarse o encajar cuando se acoplan. El diseño de estas ranuras y de cualquier posible abertura con desalineación axial se debe gestionar con cuidado para minimizar la EMI.
Figura 4. Los conectores SMP manejan frecuencias de hasta 40 GHz.
La atenuación de la señal presenta otro desafío. A medida que aumenta el número de canales, la potencia de salida por canal normalmente disminuye. Esa menor potencia de salida aumenta la necesidad de rutas de transmisión de RF de baja atenuación (como sistemas de conectores de placa a placa). Muchos conectores que se encuentran en aplicaciones por debajo de 6 GHz utilizan materiales dieléctricos moldeados como un compromiso entre la atenuación de la señal y el costo. Debido a que la atenuación aumenta con la frecuencia, la mayoría de los materiales dieléctricos moldeados utilizados en los conectores de RF no son lo suficientemente eficientes para los sistemas de radio mmWave. Los conectores de RF que funcionan a 100 GHz y más suelen utilizar aire como dieléctrico principal. Los conductores centrales están sostenidos por pequeñas cuentas de soporte moldeadas. Algunos conectores, como SMP o SMPM (Figura 4 y XNUMX), tienen materiales dieléctricos de politetrafluoroetileno (PTFE) y pueden ser un compromiso razonable.
Los materiales de PCB también transmiten señales de RF dentro de las radios. Existen consideraciones similares para los materiales de PCB y la construcción de los desafíos coaxiales de RF mencionados anteriormente. Hoy en día se encuentran disponibles materiales de PCB de baja pérdida, pero tienen un precio superior en comparación con los materiales utilizados en sistemas de menos de 6 gigahercios. La EMI y la diafonía tienden a gestionarse mediante PCB de múltiples capas, vías y otras técnicas de aislamiento. Las antenas MIMO masivas 5G que cubren frecuencias mmWave entre 22 GHz y 39 GHz pueden usar diez o más capas de PCB para lograr un rendimiento razonable. Teniendo en cuenta la potencia de salida moderada por canal y los efectos de la dirección del haz de señales MIMO masivas, lograr la potencia radiada isotrópica efectiva (EIRP) deseada del sistema puede resultar difícil.
¿Qué pasa con 6G?
En 6G, los sistemas de radio mmWave que pueden desempeñar un papel incluyen una gama de productos que van desde guías de ondas dieléctricas hasta antenas moldeadas. Estas tecnologías dirigen el ángulo de incidencia del haz hacia el usuario, lo que minimiza la reducción de EIRP en la dirección del haz. Continúan los trabajos sobre dispositivos de dirección de haz digital y otras tecnologías para mejorar el rendimiento de la radio mmWave. Ahora están disponibles conectores coaxiales que funcionan hasta 145 GHz en caso de que 6G pase al espectro de frecuencia de terahercios.
A medida que continúa la investigación sobre 6G, también se están considerando frecuencias entre 6.4 GHz y 15 GHz. Esto puede sugerir que 6G adoptará algunas de las lecciones aprendidas en las estrategias de implementación de 5G RAN, apoyándose en un espectro de frecuencia más bajo.
En este momento, todavía no sabemos en qué se diferenciará 6G de 5G o 5G-Advanced. Las frecuencias de ondas milimétricas tienen un ancho de banda mucho mayor que las señales de menos de 6 gigahercios, aproximadamente 1.2 GHz frente a menos de 600 MHz. ¿Cómo se desarrollarán e implementarán sistemas que tengan sentido económico para los operadores de redes inalámbricas? Dado que los casos de uso teóricos tardan en desarrollarse, ¿será 6G un compromiso que aproveche al máximo el espectro de 7 GHz a 15 GHz? Quizás la IA, los vehículos autónomos, la realidad virtual y la expansión del acceso inalámbrico fijo (FWA) impulsen a la industria hacia un mayor uso del espectro mmWave. Es posible que para 2035 todos queramos realizar llamadas holográficas para reuniones en lugar de videoconferencias. Teniendo en cuenta cómo utilizamos nuestros dispositivos móviles durante la era 2G/3G en comparación con la actualidad, está claro que hemos recorrido un largo camino.
Debe haber un nuevo caso de uso o aplicación en un futuro no muy lejano que seguirá impulsando la necesidad de mayor ancho de banda. Debido a que muchos de los operadores de redes inalámbricas ya son propietarios de este valioso espectro, estarán felices de ponerlo a disposición siempre que la economía tenga sentido.