ミリ波は 5G と 6G に相互接続の課題をもたらします

ミリ波範囲の信号には、6 GHz 未満の周波数よりも特別な注意と高価なコンポーネントが必要です。

データ需要により、ワイヤレス ネットワークの帯域幅の拡大が求められ続けており、この傾向は今後も確実に続くでしょう。 AI、自動運転車、AR/VR、その他のテクノロジーがそれを実現します。 5G に割り当てられたミリ波スペクトルは帯域幅のニーズを満たすことができますが、経済的および技術的なトレードオフが伴います。

ミリ波の利点はその容量を中心に展開されます。このスペクトルは、およそ 30 GHz から 300 GHz (5G ミリ波は 24 GHz から始まります) で、サブ 6 GHz の 5G の帯域幅が数百メガヘルツであるのに対し、数千メガヘルツの帯域幅を提供します。それでも、ワイヤレス業界は 100G で最大 5 GHz の周波数を検討しており、6G の研究では 140 GHz 以上も検討しています。これらの周波数は、コネクタ、ケーブル、PCB トレース、および無線での信号損失という点で技術的な課題をもたらします。

伝播、つまり媒体中を伝わる信号の能力は、サブ 6 GHz の 5G 周波数とミリ波周波数では大きく異なります。として 図1 示されているように、ミリ波信号は、送信機と受信機の間で建物、樹木、雨、その他の物体を通過する能力が制限されているか、低下しています。リピータとスモールセルはこれらの問題を軽減できます。

さらに、ミリ波無線はビームステアリングを備えた大規模 MIMO アンテナを使用して効率を高め、全方向性アンテナよりもはるかに低い送信電力レベルで実現します。ミリ波信号の到達距離が短​​いということは、1,000 GHz 未満の無線では数マイル離れている場合があるのに対し、無線は 6 メートルごとに配置する必要があることを意味します。これは、ネットワーク オペレータが直面するコストの XNUMX つの要素です。

ミリ波の設計上の課題
ミリ波無線の設計には別の課題も伴います。周波数が増加するにつれて、ミリ波コンポーネント、PCB 材料、PCB 配線、および相互接続は、低周波数用に設計されたものよりも信号損失コストを最小限に抑えます。これについては、図に示す同軸コネクタを考慮してください。 図2。一般的な SMA コネクタは 18 GHz まで動作します。

ミリ波周波数では、信号を効率的に伝送するために RF コネクタのサイズを小さくする必要があります。ミリ波に移行する場合は、2.92 GHz まで動作できる 40 mm コネクタを使用する場合があります。残念ながら、コネクタ内の内部コンポーネントの機械的公差は、SMA コネクタよりも厳しくなければなりません。こうした厳しい許容誤差は、10 GHz 未満で動作するシステムで使用される許容誤差よりも XNUMX ～ XNUMX 倍コストがかかる可能性があります。

5G サブ 6 GHz 無線システムでは、多くの場合、基板対基板 RF 同軸コネクタがパワー アンプ ボード、フィルタ、アンテナの間で RF 信号を配線します。送信チャンネルの数が増加するにつれて、エンジニアは図に示す XNUMX ピース接続を好みます。 図3 組み立て中に軸方向と半径方向の位置合わせを実現します。

64 個の送信チャネルを持つアクティブ大規模 MIMO アンテナ システムの場合、これは無線ごとに少なくとも 64 個の RF 基板対基板セットに相当します。一部の大規模 MIMO アクティブ アンテナ システムには、128 送信/128 受信チャネル以上があります。 RF コネクタの 0.60 ピース ソリューションが 150 セットあたり平均 XNUMX ドルである場合、アクティブ アンテナ/無線機のコネクタの内容が XNUMX ドルを超える可能性があることを示唆しています。

EMIとクロストーク
高周波信号は、コネクタとケーブルの設計にさらなる課題をもたらします。 Massive MIMO の例を使用すると、RF 同軸システムが互いに近くに配置されているため、EMI とクロストークを最小限に抑える必要があります。シールドは、分離可能なインターフェイス (同軸コネクタ)、または同軸ケーブル (使用されている場合) ではより重要になります。多くの RF 基板対基板コネクタは、嵌合時にスライドまたはスナップして結合できるスロット付きの外側グランド導体を使用しています。 EMI を最小限に抑えるために、これらのスロットと軸方向のずれが生じる可能性のある開口部の設計を慎重に管理する必要があります。

信号の減衰は別の課題を引き起こします。チャネル数が増加すると、通常、チャネルごとの出力電力が減少します。出力電力が低下すると、低減衰の RF 伝送パス (基板対基板コネクタ システムなど) の必要性が高まります。 6 GHz 未満のアプリケーションで使用されるコネクタの多くは、信号減衰とコストの妥協点として、成形誘電体材料を使用しています。減衰は周波数とともに増加するため、RF コネクタに使用される成形誘電体材料のほとんどは、ミリ波無線システムには十分な効率がありません。 100 GHz 以上で動作する RF コネクタは、通常、一次誘電体として空気を使用します。中心導体は、成形された小さなサポート ビーズによってサポートされています。 SMP や SMPM などの一部のコネクタ (図4）、ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）誘電体材料を使用しており、合理的な妥協点となる可能性があります。

PCB 材料は無線機内で RF 信号も渡します。前述の PCB 材料と RF 同軸の構造についても同様の考慮事項があります。低損失の PCB 材料は現在入手可能ですが、サブ 6 ギガヘルツ システムで使用される材料と比較すると高価です。 EMI とクロストークは、多層 PCB、ビア、その他の絶縁技術を使用して管理される傾向があります。 5 GHz ～ 22 GHz のミリ波周波数をカバーする 39G Massive MIMO アンテナは、適切なパフォーマンスを達成するために XNUMX 層以上の PCB 層を使用する場合があります。チャネルあたりの適度な出力パワーと大規模な MIMO 信号のビーム ステアリングの影響を考慮すると、システムの望ましい実効等方性放射パワー (EIRP) を達成するのは困難な場合があります。

6Gはどうですか？
6G で役割を果たす可能性のあるミリ波無線システムには、誘電体導波管から成形アンテナまでの幅広い製品が含まれます。これらのテクノロジーは、ビームの入射角をユーザーに向けることで、ビームステアリングにおける EIRP の減少を最小限に抑えます。デジタル ビーム ステアリング デバイスやその他の技術の開発により、ミリ波無線の性能が向上し続けています。 145G がテラヘルツ周波数スペクトルに移行した場合、最大 6 GHz で動作する同軸コネクタが利用できるようになりました。

6G 研究が進むにつれて、6.4 GHz ～ 15 GHz の周波数も検討されています。これは、6G が 5G RAN 導入戦略で学んだ教訓の一部を採用し、より低い周波数スペクトルに重点を置くことを示唆している可能性があります。

現時点では、6G が 5G や 5G-Advanced とどう違うのかはまだわかりません。ミリ波周波数は、サブ 6 ギガヘルツ信号よりもはるかに広い帯域幅を持ち、1.2 MHz 未満に対して約 600 GHz です。無線ネットワーク事業者にとって経済的に意味のあるシステムはどのように開発および展開されるのでしょうか?理論的なユースケースの開発には時間がかかるため、6G は 7 GHz から 15 GHz のスペクトルから最大のメリットを得る妥協案となるでしょうか?おそらく、AI、自動運転車、VR、固定無線アクセス (FWA) の拡大により、業界はミリ波スペクトルの利用拡大に向かうことになるでしょう。 2035 年までに、私たち全員がビデオ会議の代わりにホログラフィック通話を使用したいと思うようになる可能性があります。 2G/3G 時代のモバイル デバイスの使用方法と現在とを比較すると、私たちが長い道のりを歩んできたことは明らかです。

それほど遠くない将来に、帯域幅の拡大の必要性をさらに高める新しいユースケースやアプリケーションが登場するはずです。ワイヤレス ネットワーク オペレータの多くはすでにこの貴重なスペクトルの所有権を持っているため、経済的に合理的である限り、喜んでそれを利用できるようにするでしょう。