Signalen in het mmWave-bereik vereisen extra zorg en duurdere componenten dan bij frequenties onder de 6 GHz.
De datavraag blijft aandringen op meer bandbreedte in draadloze netwerken, en deze trend zal zich zeker voortzetten. AI, autonome voertuigen, AR/VR en andere technologieën zullen daarvoor zorgen. Het mmWave-spectrum dat is toegewezen voor 5G kan aan de bandbreedtebehoeften voldoen, maar niet zonder economische en technische afwegingen.
De voordelen van mmWave draaien om de capaciteit. Dit spectrum, van ongeveer 30 GHz tot 300 GHz (5G mmWave begint bij 24 GHz), biedt duizenden megahertz aan bandbreedte vergeleken met sub-6 GHz 5G, dat honderden megahertz heeft. Toch overweegt de draadloze industrie frequenties tot 100 GHz voor 5G, waarbij 6G-onderzoek zich richt op 140 GHz en verder. Deze frequenties brengen technische uitdagingen met zich mee op het gebied van signaalverliezen in connectoren, kabels, PCB-sporen en via de ether.
Figuur 1. Bomen, glas, gebouwen, muren, regen en de meeste andere dingen blokkeren mmWave-signalen. Bij deze frequenties maakt een directe zichtlijn het verschil.
Voortplanting, of het vermogen van een signaal om door een medium te reizen, verschilt aanzienlijk tussen sub-6 GHz 5G- en mmWave-frequenties. Als Figuur 1 laat zien dat mmWave-signalen een beperkt of verminderd vermogen hebben om door gebouwen, bomen, regen en andere objecten tussen een zender en ontvanger te gaan. Repeaters en kleine cellen kunnen deze problemen verzachten.
Bovendien gebruiken mmWave-radio's enorme MIMO-antennes met straalsturing om de efficiëntie te verhogen en bij veel lagere zendvermogensniveaus dan omnidirectionele antennes. Het korte bereik van mmWave-signalen betekent dat radio's mogelijk elke 1,000 meter moeten worden geplaatst, in tegenstelling tot radio's onder de 6 GHz, die kilometers uit elkaar kunnen liggen. Dit is één onderdeel van de kosten waarmee netwerkexploitanten worden geconfronteerd.
Ontwerpuitdagingen van mmWave
Het ontwerpen van een mmWave-radio brengt andere uitdagingen met zich mee. Naarmate de frequenties toenemen, minimaliseren mmWave-componenten, PCB-materialen, PCB-sporen en verbindingen de signaalverlieskosten meer dan die welke zijn ontworpen voor lagere frequenties. Houd hiervoor rekening met de coaxiale connectoren die worden weergegeven in Figuur 2. De gemeenschappelijke SMA-connector kan tot 18 GHz werken.
Figuur 2. Hogere frequenties verkleinen de connectorgrootte, maar de productietoleranties worden ook kleiner, waardoor ze duurder worden.
Bij mmWave-frequenties hebben RF-connectoren kleinere afmetingen nodig om het signaal efficiënt te kunnen transporteren. Wanneer u overstapt op mmWave, gebruikt u mogelijk een connector van 2.92 mm die tot 40 GHz kan werken. Helaas moeten de mechanische toleranties van de interne componenten binnen de connector strenger zijn dan voor SMA-connectoren. Deze nauwere toleranties kunnen twee tot drie keer duurder zijn dan de toleranties die worden gebruikt in systemen die onder de 10 GHz werken.
In een 5G sub-6 GHz radiosysteem routeren board-to-board RF-coaxiale connectoren vaak RF-signalen tussen de eindversterkerkaart, het filter en de antenne. Naarmate het aantal zendkanalen toeneemt, geven ingenieurs de voorkeur aan de driedelige verbindingen zoals weergegeven in Figuur 3 om axiale en radiale uitlijning tijdens de montage te bereiken.
Figuur 3. Een hogere frequentie maakt connectoren korter en dichter.
Voor een actief massief MIMO-antennesysteem met 64 zendkanalen zou dit neerkomen op minstens 64 RF board-to-board sets per radio. Sommige enorme actieve MIMO-antennesystemen hebben 128 zend-/128 ontvangstkanalen of meer. Als de driedelige oplossing voor de RF-connector gemiddeld $ 0.60 per set kost, suggereert dit dat de connectorinhoud van de actieve antenne/radio meer dan $ 150 zou kunnen bedragen.
EMI en overspraak
Hoogfrequente signalen vormen extra uitdagingen voor connector- en kabelontwerpen. Als u het enorme MIMO-voorbeeld gebruikt, waarbij RF-coaxiale systemen dicht bij elkaar zijn geplaatst, moet u EMI en overspraak minimaliseren. Afscherming wordt kritischer op scheidbare interfaces (coaxiale connectoren) of, indien gebruikt, coaxiale kabels. Veel RF-board-to-board-connectoren maken gebruik van gesleufde buitenste aardgeleiders waardoor ze bij het koppelen in elkaar kunnen schuiven of klikken. Het ontwerp van deze sleuven en eventuele openingen met axiale verkeerde uitlijning moeten zorgvuldig worden beheerd om EMI te minimaliseren.
Figuur 4. SMP-connectoren kunnen frequenties tot 40 GHz aan.
Signaalverzwakking vormt een andere uitdaging. Naarmate het aantal kanalen toeneemt, neemt doorgaans het uitgangsvermogen per kanaal af. Dat verminderde uitgangsvermogen vergroot de behoefte aan RF-transmissiepaden met lage demping (zoals board-to-board connectorsystemen). Veel connectoren die in toepassingen onder de 6 GHz worden aangetroffen, gebruiken gegoten diëlektrische materialen als compromis tussen signaalverzwakking en kosten. Omdat de verzwakking toeneemt met de frequentie, zijn de meeste gegoten diëlektrische materialen die in RF-connectoren worden gebruikt niet efficiënt genoeg voor mmWave-radiosystemen. RF-connectoren die werken tot 100 GHz en hoger gebruiken doorgaans lucht als primair diëlektricum. De centrale geleiders worden ondersteund door kleine, gegoten steunkralen. Sommige connectoren, zoals SMP of SMPM (Figuur 4), hebben diëlektrische materialen van polytetrafluorethyleen (PTFE) en kunnen een redelijk compromis zijn.
PCB-materialen geven ook RF-signalen door in radio's. Er zijn soortgelijke overwegingen voor PCB-materialen en de constructie van de hierboven genoemde RF-coaxiale uitdagingen. Er zijn tegenwoordig PCB-materialen met laag verlies beschikbaar, maar deze zijn duurder dan de materialen die worden gebruikt in systemen onder de 6 gigahertz. EMI en overspraak worden meestal beheerd met behulp van meerlaagse PCB's, via's en andere isolatietechnieken. Massieve 5G-MIMO-antennes die mmWave-frequenties tussen 22 GHz en 39 GHz bestrijken, kunnen tien of meer PCB-lagen gebruiken om redelijke prestaties te bereiken. Gezien het gematigde uitgangsvermogen per kanaal en de effecten van bundelsturing van massieve MIMO-signalen, kan het moeilijk zijn om het gewenste effectieve isotrope uitgestraalde vermogen (EIRP) van het systeem te bereiken.
Hoe zit het met 6G?
In 6G omvatten mmWave-radiosystemen die een rol kunnen spelen een reeks producten, van diëlektrische golfgeleiders tot gegoten antennes. Deze technologieën richten de invalshoek van de straal naar de gebruiker, waardoor de EIRP-reductie in de straalsturing wordt geminimaliseerd. Het werk aan digitale straalstuurapparatuur en andere technologieën blijft de mmWave-radioprestaties verbeteren. Coaxiale connectoren die tot 145 GHz werken, zijn nu beschikbaar als 6G het terahertz-frequentiespectrum betreedt.
Terwijl het onderzoek naar 6G voortduurt, worden ook frequenties tussen 6.4 GHz en 15 GHz overwogen. Dit zou erop kunnen wijzen dat 6G een aantal van de lessen zal overnemen die zijn geleerd uit de 5G RAN-implementatiestrategieën, waarbij wordt geleund op een lager frequentiespectrum.
Op dit moment weten we nog steeds niet hoe 6G zal verschillen van 5G of 5G-Advanced. Millimetergolffrequenties hebben een veel grotere bandbreedte dan signalen onder de 6 gigahertz, ongeveer 1.2 GHz versus minder dan 600 MHz. Hoe zullen systemen worden ontwikkeld en ingezet die economisch zinvol zijn voor de exploitanten van draadloze netwerken? Zal 6G, aangezien het tijd kost om de theoretische gebruiksscenario's te ontwikkelen, een compromis zijn dat het meeste voordeel haalt uit het spectrum van 7 GHz tot 15 GHz? Misschien zullen AI, autonome voertuigen, VR en de uitbreiding van vaste draadloze toegang (FWA) de industrie ertoe aanzetten om meer gebruik te maken van het mmWave-spectrum. Het is mogelijk dat we in 2035 allemaal holografische oproepen voor vergaderingen willen in plaats van videoconferenties. Als je bedenkt hoe we onze mobiele apparaten tijdens het 2G/3G-tijdperk gebruikten in vergelijking met nu, is het duidelijk dat we een lange weg hebben afgelegd.
Er moet in de niet al te verre toekomst een nieuwe use case of toepassing komen die de behoefte aan grotere bandbreedte zal blijven vergroten. Omdat veel van de draadloze netwerkexploitanten al eigenaar zijn van dit waardevolle spectrum, zullen zij het graag beschikbaar stellen zolang het economisch verantwoord is.