สัญญาณในช่วง mmWave ต้องการการดูแลเป็นพิเศษและส่วนประกอบที่มีราคาแพงกว่าที่ความถี่ต่ำกว่า 6 GHz
ความต้องการข้อมูลผลักดันให้มีแบนด์วิธเพิ่มมากขึ้นในเครือข่ายไร้สาย และแนวโน้มนี้จะดำเนินต่อไปอย่างแน่นอน AI, ยานพาหนะขับเคลื่อนอัตโนมัติ, AR/VR และเทคโนโลยีอื่นๆ จะคอยดูแลเรื่องนั้น คลื่นความถี่ mmWave ที่จัดสรรสำหรับ 5G สามารถตอบสนองความต้องการแบนด์วิธได้ แต่ก็ไม่ได้ปราศจากข้อเสียทางเศรษฐกิจและทางเทคนิค
ประโยชน์ของ mmWave ขึ้นอยู่กับความจุของมัน สเปกตรัมนี้ ตั้งแต่ประมาณ 30 GHz ถึง 300 GHz (5G mmWave เริ่มต้นที่ 24 GHz) ให้แบนด์วิดท์หลายพันเมกะเฮิรตซ์ เมื่อเทียบกับ 6G ต่ำกว่า 5 GHz ซึ่งมีหลายร้อยเมกะเฮิรตซ์ อย่างไรก็ตาม อุตสาหกรรมไร้สายกำลังพิจารณาความถี่สูงสุด 100 GHz สำหรับ 5G โดยการวิจัย 6G พิจารณาที่ 140 GHz และสูงกว่านั้น ความถี่เหล่านี้นำมาซึ่งความท้าทายทางเทคนิคในแง่ของการสูญเสียสัญญาณในตัวเชื่อมต่อ สายเคเบิล เส้นทาง PCB และทางอากาศ
รูปที่ 1 ต้นไม้ กระจก อาคาร กำแพง ฝน และสิ่งอื่นๆ ส่วนใหญ่ปิดกั้นสัญญาณ mmWave ที่ความถี่เหล่านี้ เส้นสายตาตรงทำให้เกิดความแตกต่าง
การแพร่กระจายหรือความสามารถของสัญญาณในการเดินทางผ่านตัวกลาง มีความแตกต่างอย่างมีนัยสำคัญระหว่างความถี่ต่ำกว่า 6 GHz 5G และ mmWave เช่น รูป 1 แสดงว่าสัญญาณ mmWave มีความสามารถในการส่งผ่านอาคาร ต้นไม้ ฝน และวัตถุอื่นๆ อย่างจำกัดหรือลดลงระหว่างเครื่องส่งและเครื่องรับ รีพีทเตอร์และเซลล์ขนาดเล็กสามารถบรรเทาปัญหาเหล่านั้นได้
นอกจากนี้ วิทยุ mmWave ยังใช้เสาอากาศ MIMO ขนาดใหญ่พร้อมระบบบังคับทิศทางแบบลำแสงเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพและที่ระดับกำลังส่งที่ต่ำกว่าเสาอากาศแบบรอบทิศทางมาก ช่วงสัญญาณ mmWave ที่สั้นหมายความว่าวิทยุอาจต้องติดตั้งทุกๆ 1,000 เมตร ซึ่งต่างจากวิทยุความถี่ต่ำกว่า 6 GHz ซึ่งอาจอยู่ห่างจากกันหลายไมล์ นี่เป็นองค์ประกอบหนึ่งของต้นทุนที่ผู้ให้บริการเครือข่ายต้องเผชิญ
ความท้าทายในการออกแบบ mmWave
การออกแบบวิทยุ mmWave นำมาซึ่งความท้าทายอื่นๆ เมื่อความถี่เพิ่มขึ้น ส่วนประกอบ mmWave วัสดุ PCB การติดตาม PCB และการเชื่อมต่อระหว่างกันจะลดต้นทุนการสูญเสียสัญญาณให้มากกว่าค่าใช้จ่ายที่ออกแบบมาสำหรับความถี่ต่ำ สำหรับสิ่งนี้ ให้พิจารณาขั้วต่อโคแอกเซียลที่แสดงใน รูป 2- ขั้วต่อ SMA ทั่วไปสามารถทำงานได้ถึง 18 GHz
รูปที่ 2 ความถี่ที่สูงขึ้นจะลดขนาดตัวเชื่อมต่อ แต่ความทนทานต่อการผลิตก็ลดลงเช่นกัน ทำให้มีราคาแพงกว่า
ที่ความถี่ mmWave ตัวเชื่อมต่อ RF จำเป็นต้องมีขนาดที่เล็กกว่าเพื่อให้สามารถส่งสัญญาณได้อย่างมีประสิทธิภาพ เมื่อเปลี่ยนไปใช้ mmWave คุณอาจใช้ขั้วต่อ 2.92 มม. ที่สามารถทำงานได้ที่ 40 GHz น่าเสียดายที่ค่าเผื่อทางกลของส่วนประกอบภายในภายในตัวเชื่อมต่อจะต้องเข้มงวดมากกว่าตัวเชื่อมต่อ SMA ความคลาดเคลื่อนที่เข้มงวดยิ่งขึ้นเหล่านี้อาจมีค่าใช้จ่ายสูงกว่าค่าที่ใช้ในระบบที่ทำงานต่ำกว่า 10 GHz ถึง XNUMX ถึง XNUMX เท่า
ในระบบวิทยุ 5G sub-6 GHz ตัวเชื่อมต่อโคแอกเซียล RF แบบบอร์ดต่อบอร์ดมักจะส่งสัญญาณ RF ระหว่างบอร์ดขยายกำลัง ตัวกรอง และเสาอากาศ เมื่อจำนวนช่องส่งสัญญาณเพิ่มขึ้น วิศวกรต้องการการเชื่อมต่อแบบสามชิ้นที่แสดงไว้ รูป 3 เพื่อให้เกิดการจัดตำแหน่งตามแนวแกนและแนวรัศมีระหว่างการประกอบ
รูปที่ 3 ความถี่ที่เพิ่มขึ้นทำให้ตัวเชื่อมต่อสั้นลงและหนาแน่นขึ้น
สำหรับระบบเสาอากาศ MIMO ขนาดใหญ่ที่ใช้งานอยู่ซึ่งมีช่องส่งสัญญาณ 64 ช่อง จะเท่ากับชุด RF แบบบอร์ดต่อบอร์ดอย่างน้อย 64 ชุดต่อวิทยุหนึ่งเครื่อง ระบบเสาอากาศแบบแอคทีฟ MIMO ขนาดใหญ่บางระบบมีช่องส่ง 128 ช่อง/รับ 128 ช่องหรือมากกว่า หากโซลูชันแบบสามชิ้นของตัวเชื่อมต่อ RF มีค่าเฉลี่ยอยู่ที่ 0.60 ดอลลาร์ต่อชุด แสดงว่าเนื้อหาตัวเชื่อมต่อของเสาอากาศ/วิทยุที่ใช้งานอยู่อาจมากกว่า 150 ดอลลาร์
EMI และครอสทอล์ค
สัญญาณความถี่สูงก่อให้เกิดความท้าทายเพิ่มเติมสำหรับการออกแบบตัวเชื่อมต่อและสายเคเบิล เมื่อใช้ตัวอย่าง MIMO ขนาดใหญ่ โดยมีระบบโคแอกเชียล RF ตั้งอยู่ใกล้กัน คุณต้องย่อ EMI และครอสทอล์คให้เหลือน้อยที่สุด การป้องกันมีความสำคัญมากขึ้นในอินเทอร์เฟซแบบแยกส่วนได้ (ขั้วต่อโคแอกเซียล) หรือหากใช้สายโคแอกเซียล ตัวเชื่อมต่อระหว่างบอร์ดกับบอร์ด RF จำนวนมากใช้ตัวนำกราวด์ด้านนอกแบบมีรูเพื่อให้พวกมันเลื่อนหรือชิดกันเมื่อเชื่อมต่อกัน การออกแบบช่องเหล่านี้และช่องเปิดที่อาจมีความเยื้องแนวแกนต้องได้รับการจัดการอย่างระมัดระวังเพื่อลด EMI
รูปที่ 4 ตัวเชื่อมต่อ SMP จัดการความถี่สูงสุด 40 GHz
การลดทอนสัญญาณถือเป็นความท้าทายอีกประการหนึ่ง เมื่อหมายเลขช่องเพิ่มขึ้น โดยทั่วไปกำลังเอาต์พุตต่อช่องจะลดลง กำลังเอาต์พุตที่ลดลงนั้นจะเพิ่มความจำเป็นสำหรับเส้นทางการส่งผ่าน RF การลดทอนต่ำ (เช่น ระบบตัวเชื่อมต่อแบบบอร์ดถึงบอร์ด) ตัวเชื่อมต่อจำนวนมากที่พบในแอปพลิเคชันความถี่ต่ำกว่า 6 GHz ใช้วัสดุไดอิเล็กทริกแบบหล่อเพื่อเป็นตัวประนีประนอมระหว่างการลดทอนสัญญาณและต้นทุน เนื่องจากการลดทอนจะเพิ่มขึ้นตามความถี่ วัสดุอิเล็กทริกที่ขึ้นรูปส่วนใหญ่ที่ใช้ในตัวเชื่อมต่อ RF จึงไม่มีประสิทธิภาพเพียงพอสำหรับระบบวิทยุ mmWave ตัวเชื่อมต่อ RF ที่ทำงานที่ 100 GHz และสูงกว่า โดยทั่วไปจะใช้อากาศเป็นไดอิเล็กทริกหลัก ตัวนำตรงกลางรองรับด้วยเม็ดบีดรองรับแบบขึ้นรูปขนาดเล็ก ตัวเชื่อมต่อบางตัว เช่น SMP หรือ SMPM (รูป 4) มีวัสดุอิเล็กทริกโพลีเตตราฟลูออโรเอทิลีน (PTFE) และอาจประนีประนอมอย่างสมเหตุสมผล
วัสดุ PCB ยังส่งสัญญาณ RF ภายในวิทยุด้วย มีข้อควรพิจารณาที่คล้ายกันสำหรับวัสดุ PCB และการสร้างความท้าทายโคแอกเซียล RF ที่กล่าวถึงข้างต้น วัสดุ PCB การสูญเสียต่ำมีอยู่ในปัจจุบัน แต่วัสดุเหล่านี้มีความพิเศษเมื่อเทียบกับวัสดุที่ใช้ในระบบต่ำกว่า 6 กิกะเฮิรตซ์ EMI และ crosstalk มีแนวโน้มที่จะได้รับการจัดการโดยใช้ PCB หลายชั้น จุดแวะ และเทคนิคการแยกอื่นๆ เสาอากาศ MIMO ขนาดใหญ่ 5G ที่ครอบคลุมความถี่ mmWave ระหว่าง 22 GHz ถึง 39 GHz อาจใช้ชั้น PCB สิบชั้นขึ้นไปเพื่อให้ได้ประสิทธิภาพที่เหมาะสม เมื่อพิจารณาถึงกำลังเอาท์พุตปานกลางต่อช่องสัญญาณและผลกระทบของการบังคับเลี้ยวของสัญญาณ MIMO ขนาดใหญ่ การบรรลุกำลังการแผ่รังสีไอโซโทรปิกที่มีประสิทธิภาพ (EIRP) ของระบบตามที่ต้องการอาจเป็นเรื่องยาก
แล้ว 6G ล่ะ?
ใน 6G ระบบวิทยุ mmWave ที่อาจมีบทบาทประกอบด้วยผลิตภัณฑ์หลากหลายตั้งแต่ท่อนำคลื่นอิเล็กทริกไปจนถึงเสาอากาศแบบหล่อ เทคโนโลยีเหล่านี้จะกำหนดมุมตกกระทบของลำแสงไปยังผู้ใช้ ซึ่งจะช่วยลดการลด EIRP ในการบังคับเลี้ยวของลำแสงให้เหลือน้อยที่สุด การทำงานกับอุปกรณ์บังคับเลี้ยวแบบดิจิทัลและเทคโนโลยีอื่นๆ ยังคงช่วยเพิ่มประสิทธิภาพวิทยุ mmWave อย่างต่อเนื่อง ขณะนี้ตัวเชื่อมต่อโคแอกเซียลที่ทำงานสูงถึง 145 GHz พร้อมใช้งานแล้วหาก 6G ย้ายไปอยู่ในสเปกตรัมความถี่เทราเฮิร์ตซ์
ในขณะที่การวิจัย 6G ยังคงดำเนินต่อไป ความถี่ระหว่าง 6.4 GHz ถึง 15 GHz ก็กำลังได้รับการพิจารณาเช่นกัน นี่อาจชี้ให้เห็นว่า 6G จะนำบทเรียนบางส่วนที่เรียนรู้เกี่ยวกับกลยุทธ์การใช้งาน 5G RAN มาใช้ โดยอาศัยคลื่นความถี่ที่ต่ำกว่า
ขณะนี้เรายังไม่รู้ว่า 6G จะแตกต่างจาก 5G หรือ 5G-Advanced อย่างไร ความถี่คลื่นมิลลิเมตรมีแบนด์วิธมากกว่าสัญญาณย่อย 6 กิกะเฮิรตซ์อย่างมาก ซึ่งก็คือประมาณ 1.2 GHz เทียบกับน้อยกว่า 600 MHz ระบบจะได้รับการพัฒนาและปรับใช้อย่างไรซึ่งสมเหตุสมผลทางเศรษฐกิจสำหรับผู้ให้บริการเครือข่ายไร้สาย? เนื่องจากกรณีการใช้งานตามทฤษฎีต้องใช้เวลาในการพัฒนา 6G จะเป็นประนีประนอมที่พบประโยชน์สูงสุดจากคลื่นความถี่ตั้งแต่ 7 GHz ถึง 15 GHz หรือไม่ บางที AI, ยานพาหนะอัตโนมัติ, VR และการขยายตัวของการเข้าถึงไร้สายแบบคงที่ (FWA) จะช่วยผลักดันอุตสาหกรรมให้มีการใช้สเปกตรัม mmWave มากขึ้น เป็นไปได้ว่าภายในปี 2035 เราทุกคนจะต้องการโทรแบบโฮโลแกรมสำหรับการประชุมแทนการประชุมทางวิดีโอ เมื่อพิจารณาวิธีที่เราใช้อุปกรณ์เคลื่อนที่ของเราในยุค 2G/3G เมื่อเทียบกับปัจจุบัน เห็นได้ชัดว่าเรามาไกลมากแล้ว
จะต้องมีกรณีการใช้งานหรือแอปพลิเคชันใหม่ในอนาคตอันใกล้นี้ ซึ่งจะยังคงผลักดันความต้องการแบนด์วิธที่มากขึ้นต่อไป เนื่องจากผู้ให้บริการเครือข่ายไร้สายหลายรายเป็นเจ้าของคลื่นความถี่อันมีค่านี้อยู่แล้ว พวกเขาจึงยินดีที่จะให้บริการคลื่นความถี่ดังกล่าวตราบเท่าที่เศรษฐกิจสมเหตุสมผล