I segnali nella gamma delle onde mm richiedono particolare attenzione e componenti più costosi rispetto alle frequenze inferiori a 6 GHz.
La richiesta di dati continua a spingere verso una maggiore larghezza di banda nelle reti wireless e questa tendenza continuerà sicuramente. L’intelligenza artificiale, i veicoli autonomi, AR/VR e altre tecnologie si occuperanno di questo. Lo spettro mmWave assegnato per il 5G può soddisfare le esigenze di larghezza di banda, ma non senza compromessi economici e tecnici.
I vantaggi di mmWave ruotano attorno alla sua capacità. Questo spettro, da circa 30 GHz a 300 GHz (5G mmWave inizia a 24 GHz), offre migliaia di megahertz di larghezza di banda rispetto al 6G inferiore a 5 GHz, che ha centinaia di megahertz. Anche così, l’industria wireless sta prendendo in considerazione frequenze fino a 100 GHz per il 5G, con la ricerca sul 6G che esamina i 140 GHz e oltre. Queste frequenze comportano sfide tecniche in termini di perdite di segnale nei connettori, nei cavi, nelle tracce PCB e nell'aria.
Figura 1. Alberi, vetro, edifici, muri, pioggia e molte altre cose bloccano i segnali mmWave. A queste frequenze, la linea visiva diretta fa la differenza.
La propagazione, o la capacità di un segnale di viaggiare attraverso un mezzo, differisce in modo significativo tra le frequenze 6G inferiori a 5 GHz e quelle mmWave. COME Figure 1 mostra che i segnali mmWave hanno una capacità limitata o ridotta di passare attraverso edifici, alberi, pioggia e altri oggetti tra un trasmettitore e un ricevitore. Ripetitori e piccole celle possono mitigare questi problemi.
Inoltre, le radio mmWave utilizzano enormi antenne MIMO con orientamento del raggio per aumentare l'efficienza e con livelli di potenza di trasmissione molto più bassi rispetto alle antenne omnidirezionali. La breve portata dei segnali mmWave significa che potrebbe essere necessario posizionare le radio ogni 1,000 metri, a differenza delle radio inferiori a 6 GHz, che possono trovarsi a chilometri di distanza. Questo è un elemento del costo che devono affrontare gli operatori di rete.
Sfide progettuali di mmWave
La progettazione di una radio mmWave comporta altre sfide. All'aumentare delle frequenze, i componenti mmWave, i materiali PCB, le tracce PCB e le interconnessioni riducono al minimo i costi di perdita del segnale più di quelli progettati per frequenze più basse. Per questo, considerare i connettori coassiali mostrati in Figure 2
. Il comune connettore SMA può funzionare fino a 18 GHz.
Figura 2. Frequenze più elevate riducono le dimensioni del connettore, ma anche le tolleranze di produzione si riducono, rendendoli più costosi.
Alle frequenze delle onde mm, i connettori RF necessitano di dimensioni più piccole per trasportare in modo efficiente il segnale. Quando si passa a mmWave, è possibile utilizzare un connettore da 2.92 mm che può funzionare a 40 GHz. Sfortunatamente, le tolleranze meccaniche dei componenti interni del connettore devono essere più rigorose rispetto ai connettori SMA. Queste tolleranze più strette possono essere da due a tre volte più costose di quelle utilizzate nei sistemi che operano sotto i 10 GHz.
In un sistema radio 5G sub-6 GHz, i connettori coassiali RF scheda-scheda spesso instradano i segnali RF tra la scheda dell'amplificatore di potenza, il filtro e l'antenna. Con l'aumento del numero di canali di trasmissione, gli ingegneri preferiscono le connessioni a tre pezzi mostrate in figura Figure 3 per ottenere l'allineamento assiale e radiale durante il montaggio.
Figura 3. L'aumento della frequenza rende i connettori più corti e più densi.
Per un massiccio sistema di antenna MIMO attivo con 64 canali di trasmissione, ciò equivarrebbe ad almeno 64 set RF scheda-scheda per radio. Alcuni massicci sistemi di antenne attive MIMO hanno 128 canali di trasmissione/128 di ricezione o più. Se la soluzione in tre pezzi del connettore RF costa in media 0.60 dollari per set, ciò suggerisce che il contenuto del connettore dell'antenna/radio attiva potrebbe essere superiore a 150 dollari.
EMI e diafonia
I segnali ad alta frequenza pongono ulteriori sfide per la progettazione di connettori e cavi. Utilizzando l'esempio MIMO massiccio, con sistemi coassiali RF posizionati uno vicino all'altro, è necessario ridurre al minimo le interferenze EMI e la diafonia. La schermatura diventa più critica sulle interfacce separabili (connettori coassiali) o, se utilizzati, sui cavi coassiali. Molti connettori RF scheda-scheda utilizzano conduttori di terra esterni scanalati che consentono loro di scorrere o agganciarsi insieme una volta accoppiati. La progettazione di queste fessure e di eventuali aperture potenziali con disallineamento assiale deve essere gestita attentamente per ridurre al minimo le EMI.
Figura 4. I connettori SMP gestiscono frequenze fino a 40 GHz.
L'attenuazione del segnale rappresenta un'altra sfida. All'aumentare del numero dei canali, la potenza di uscita per canale generalmente diminuisce. Questa diminuzione della potenza in uscita aumenta la necessità di percorsi di trasmissione RF a bassa attenuazione (come i sistemi di connettori scheda-scheda). Molti connettori presenti nelle applicazioni inferiori a 6 GHz utilizzano materiali dielettrici stampati come compromesso tra attenuazione del segnale e costo. Poiché l'attenuazione aumenta con la frequenza, la maggior parte dei materiali dielettrici stampati utilizzati nei connettori RF non sono sufficientemente efficienti per i sistemi radio mmWave. I connettori RF che funzionano a 100 GHz e oltre utilizzano generalmente l'aria come dielettrico primario. I conduttori centrali sono supportati da piccole perline di supporto stampate. Alcuni connettori, come SMP o SMPM (Figure 4 ), hanno materiali dielettrici di politetrafluoroetilene (PTFE) e possono rappresentare un compromesso ragionevole.
I materiali PCB trasmettono anche segnali RF all'interno delle radio. Esistono considerazioni simili per i materiali PCB e la costruzione delle sfide coassiali RF menzionate sopra. Oggi sono disponibili materiali PCB a bassa perdita, ma comportano un vantaggio rispetto ai materiali utilizzati nei sistemi inferiori a 6 gigahertz. EMI e diafonia tendono a essere gestiti utilizzando PCB multistrato, via e altre tecniche di isolamento. Le antenne MIMO massicce 5G che coprono le frequenze mmWave tra 22 GHz e 39 GHz possono utilizzare dieci o più strati PCB per ottenere prestazioni ragionevoli. Considerando la moderata potenza di uscita per canale e gli effetti della guida del fascio di massicci segnali MIMO, ottenere la potenza irradiata isotropica effettiva desiderata (EIRP) del sistema può essere difficile.
E il 6G?
Nel 6G, i sistemi radio mmWave che possono svolgere un ruolo includono una gamma di prodotti, dalle guide d’onda dielettriche alle antenne stampate. Queste tecnologie dirigono l'angolo incidente del raggio verso l'utente, riducendo al minimo la riduzione dell'EIRP nell'orientamento del raggio. Il lavoro sui dispositivi di orientamento del raggio digitale e su altre tecnologie continua a migliorare le prestazioni della radio mmWave. Sono ora disponibili connettori coassiali che funzionano fino a 145 GHz se il 6G dovesse spostarsi nello spettro di frequenze terahertz.
Mentre la ricerca sul 6G continua, vengono prese in considerazione anche le frequenze comprese tra 6.4 GHz e 15 GHz. Ciò potrebbe suggerire che il 6G adotterà alcune delle lezioni apprese nelle strategie di implementazione della RAN 5G, appoggiandosi su uno spettro di frequenze più basso.
Al momento non sappiamo ancora in cosa differirà il 6G dal 5G o 5G-Advanced. Le frequenze delle onde millimetriche hanno una larghezza di banda molto maggiore rispetto ai segnali inferiori a 6 gigahertz, circa 1.2 GHz contro meno di 600 MHz. Come verranno sviluppati e implementati sistemi economicamente sensati per gli operatori di rete wireless? Poiché i casi d’uso teorici richiedono tempo per essere sviluppati, il 6G sarà un compromesso che trae il massimo beneficio dallo spettro da 7 GHz a 15 GHz? Forse l’intelligenza artificiale, i veicoli autonomi, la realtà virtuale e l’espansione dell’accesso wireless fisso (FWA) spingeranno il settore verso un maggiore utilizzo dello spettro mmWave. È possibile che entro il 2035 vorremo tutti utilizzare chiamate olografiche per le riunioni invece delle videoconferenze. Considerando il modo in cui utilizzavamo i nostri dispositivi mobili durante l'era 2G/3G rispetto a oggi, è chiaro che abbiamo fatto molta strada.
In un futuro non troppo lontano dovrà esserci un nuovo caso d’uso o applicazione che continuerà a stimolare la necessità di una maggiore larghezza di banda. Poiché molti operatori di reti wireless possiedono già la proprietà di questo prezioso spettro, saranno felici di renderlo disponibile finché le condizioni economiche avranno un senso.