Os sinais na faixa mmWave requerem cuidado extra e componentes mais caros do que nas frequências abaixo de 6 GHz.
A demanda por dados continua exigindo mais largura de banda nas redes sem fio, e essa tendência certamente continuará. IA, veículos autônomos, AR/VR e outras tecnologias cuidarão disso. O espectro mmWave alocado para 5G pode atender às necessidades de largura de banda, mas não sem compensações econômicas e técnicas.
Os benefícios do mmWave giram em torno de sua capacidade. Este espectro, de aproximadamente 30 GHz a 300 GHz (5G mmWave começa em 24 GHz), oferece milhares de megahertz de largura de banda em comparação com 6G sub-5 GHz, que tem centenas de megahertz. Mesmo assim, a indústria sem fio está considerando frequências de até 100 GHz para 5G, com pesquisas sobre 6G voltadas para 140 GHz e além. Essas frequências trazem desafios técnicos em termos de perdas de sinal em conectores, cabos, traços de PCB e no ar.
Figura 1. Árvores, vidros, edifícios, paredes, chuva e muitas outras coisas bloqueiam os sinais mmWave. Nessas frequências, a linha de visão direta faz toda a diferença.
A propagação, ou a capacidade de um sinal viajar através de um meio, difere significativamente entre as frequências 6G sub-5 GHz e ondas mm. Como Figura 1 mostra, os sinais mmWave têm uma capacidade limitada ou diminuída de passar através de edifícios, árvores, chuva e outros objetos entre um transmissor e um receptor. Repetidores e células pequenas podem atenuar esses problemas.
Além disso, os rádios mmWave usam antenas MIMO massivas com direcionamento de feixe para aumentar a eficiência e em níveis de potência de transmissão muito mais baixos do que as antenas omnidirecionais. O curto alcance dos sinais mmWave significa que os rádios podem precisar estar localizados a cada 1,000 metros, ao contrário dos rádios abaixo de 6 GHz, que podem estar a quilômetros de distância. Este é um elemento do custo que os operadores de rede enfrentam.
Desafios de design do mmWave
Projetar um rádio mmWave traz outros desafios. À medida que as frequências aumentam, os componentes mmWave, materiais de PCB, traços de PCB e interconexões minimizam os custos de perda de sinal mais do que aqueles projetados para frequências mais baixas. Para isso, considere os conectores coaxiais mostrados na Figura 2. O conector SMA comum pode funcionar até 18 GHz.
Figura 2. Frequências mais altas reduzem o tamanho do conector, mas as tolerâncias de fabricação também diminuem, tornando-os mais caros.
Em frequências mmWave, os conectores RF precisam de tamanhos menores para transportar o sinal com eficiência. Ao mudar para mmWave, você pode usar um conector de 2.92 mm que pode funcionar até 40 GHz. Infelizmente, as tolerâncias mecânicas dos componentes internos do conector devem ser mais rigorosas do que as dos conectores SMA. Estas tolerâncias mais rigorosas podem ser duas a três vezes mais dispendiosas do que as utilizadas em sistemas que operam abaixo de 10 GHz.
Em um sistema de rádio 5G sub-6 GHz, os conectores coaxiais de RF placa a placa geralmente roteiam sinais de RF entre a placa do amplificador de potência, o filtro e a antena. À medida que o número de canais de transmissão aumenta, os engenheiros preferem as conexões de três peças mostradas na Figura 3 para obter alinhamento axial e radial durante a montagem.
Figura 3. O aumento da frequência torna os conectores mais curtos e densos.
Para um sistema de antena MIMO massivo ativo com 64 canais de transmissão, isso equivaleria a pelo menos 64 conjuntos RF placa a placa por rádio. Alguns sistemas de antenas ativas MIMO massivas possuem 128 canais de transmissão/128 canais de recepção ou mais. Se a solução de três peças do conector RF custar em média US$ 0.60 por conjunto, isso sugere que o conteúdo do conector da antena/rádio ativo pode ser superior a US$ 150.
EMI e diafonia
Sinais de alta frequência representam desafios adicionais para projetos de conectores e cabos. Usando o exemplo do MIMO massivo, com sistemas coaxiais de RF localizados próximos uns dos outros, você deve minimizar a EMI e a diafonia. A blindagem torna-se mais crítica em interfaces separáveis (conectores coaxiais) ou, se usados, cabos coaxiais. Muitos conectores RF placa a placa usam condutores de aterramento externos com fenda que os permitem deslizar ou encaixar quando acoplados. O projeto dessas ranhuras e quaisquer aberturas potenciais com desalinhamento axial devem ser cuidadosamente gerenciados para minimizar a EMI.
Figura 4. Os conectores SMP suportam frequências de até 40 GHz.
A atenuação do sinal apresenta outro desafio. À medida que o número de canais aumenta, a potência de saída por canal normalmente diminui. Essa diminuição da potência de saída aumenta a necessidade de caminhos de transmissão de RF de baixa atenuação (como sistemas de conectores placa a placa). Muitos conectores encontrados em aplicações abaixo de 6 GHz usam materiais dielétricos moldados como um compromisso entre atenuação do sinal e custo. Como a atenuação aumenta com a frequência, a maioria dos materiais dielétricos moldados usados em conectores de RF não são eficientes o suficiente para sistemas de rádio mmWave. Conectores RF que operam a 100 GHz e superiores normalmente usam ar como dielétrico primário. Os condutores centrais são sustentados por pequenas esferas de suporte moldadas. Alguns conectores, como SMP ou SMPM (Figura 4), possuem materiais dielétricos de politetrafluoroetileno (PTFE) e podem ser um compromisso razoável.
Os materiais PCB também transmitem sinais de RF dentro dos rádios. Existem considerações semelhantes para materiais de PCB e construção dos desafios coaxiais de RF mencionados acima. Materiais de PCB de baixa perda estão disponíveis hoje, mas são premium em comparação com materiais usados em sistemas sub-6 gigahertz. EMI e crosstalk tendem a ser gerenciados usando PCBs, vias e outras técnicas de isolamento de múltiplas camadas. Antenas MIMO massivas 5G que cobrem frequências mmWave entre 22 GHz e 39 GHz podem usar dez ou mais camadas de PCB para obter um desempenho razoável. Considerando a potência de saída moderada por canal e os efeitos do direcionamento do feixe de sinais MIMO massivos, pode ser difícil alcançar a potência isotrópica radiada efetiva desejada (EIRP) do sistema.
E o 6G?
Em 6G, os sistemas de rádio mmWave que podem desempenhar um papel incluem uma gama de produtos, desde guias de onda dielétricos até antenas moldadas. Essas tecnologias direcionam o ângulo de incidência do feixe em direção ao usuário, o que minimiza a redução do EIRP na direção do feixe. O trabalho em dispositivos digitais de direcionamento de feixe e outras tecnologias continua a melhorar o desempenho do rádio mmWave. Conectores coaxiais que operam até 145 GHz estão agora disponíveis caso o 6G passe para o espectro de frequência terahertz.
À medida que a pesquisa 6G continua, frequências entre 6.4 GHz e 15 GHz também estão sendo consideradas. Isto pode sugerir que o 6G adotará algumas das lições aprendidas nas estratégias de implantação de RAN 5G, apoiando-se num espectro de frequência mais baixo.
Neste momento, ainda não sabemos como o 6G será diferente do 5G ou do 5G-Advanced. As frequências de ondas milimétricas têm largura de banda muito maior do que os sinais abaixo de 6 gigahertz, aproximadamente 1.2 GHz versus menos de 600 MHz. Como serão desenvolvidos e implementados sistemas que façam sentido económico para os operadores de redes sem fios? Como os casos de uso teóricos levam tempo para serem desenvolvidos, o 6G será um compromisso que tira o máximo proveito do espectro de 7 GHz a 15 GHz? Talvez a IA, os veículos autónomos, a RV e a expansão do acesso fixo sem fios (FWA) impulsionem a indústria a uma maior utilização do espectro mmWave. É possível que, até 2035, todos desejemos chamadas holográficas para reuniões em vez de videoconferências. Considerando como usamos nossos dispositivos móveis durante a era 2G/3G em comparação com hoje, fica claro que percorremos um longo caminho.
Deve haver um novo caso de uso ou aplicação em um futuro não muito distante que continuará a impulsionar a necessidade de maior largura de banda. Como muitas das operadoras de redes sem fio já possuem a propriedade deste valioso espectro, elas ficarão felizes em disponibilizá-lo, desde que a economia faça sentido.