Die versteckten Herausforderungen des 5G-RF-Designs

Die Einführung von 5G hat eine Vielzahl von Herausforderungen im HF-Design mit sich gebracht – einige offensichtlich, andere weniger. Die Schwierigkeiten im Zusammenhang mit Millimeterwellen (mmWave) wurden beispielsweise bereits ausgiebig diskutiert, aber auch Signalintegrität und Hardwarekosten sind große Themen. Bevor wir den gesamten Umfang dieser Herausforderungen aufdecken, nehmen wir uns einen Moment Zeit, um zu betrachten, wen sie betreffen. 5G ist insofern ungewöhnlich, als es eine bedeutende Veränderung für das gesamte Ökosystem darstellt. Um die vollständigen Vorteile nutzen zu können, müssen sowohl die Mobilfunkanbieter als auch die Endnutzer neue Denkweisen annehmen. Antennendesigner, Mikrowellen-Schaltungsdesigner und selbst diejenigen, die in scheinbar nicht verwandten Bereichen wie dem PCB-Design tätig sind, stehen vor neuen Problemen. Werfen wir nun einen genaueren Blick auf die Herausforderungen, um zu verstehen, warum 5G so weitreichende und subtile Designprobleme (und auch einige Lösungen!) mit sich bringt.

Schlechte Ausbreitung vs. Gruppenantennen

Beginnen wir mit dem Aufmerksamkeitsmagneten: der Signalübertragung. Anders als frühere Mobilfunktechnologien breitet sich mmWave nicht weit aus. Gebäude, Gelände, Menschen und sogar Wetter können mmWave-Signale abschwächen. Eine offensichtliche Folge davon ist, dass Mobilfunkanbieter mehr Basisstationen benötigen, die näher bei ihren Endnutzern liegen.   Doch selbst mit zahlreichen Basisstationen kann die Signalübertragung problematisch sein. Schließlich sind menschliche Körper ausgezeichnete Absorber von mmWave-Frequenzen. Das bedeutet, dass schon eine Hand, die ein Telefon hält, ein Signal unbrauchbar machen kann. Aus diesem Grund benötigen mmWave-Systeme typischerweise mehrere Antennen – und noch wichtiger, Antennenarrays.   Da viele Antenneningenieure keine Erfahrung mit Antennenarrays haben, stellt diese Anforderung eine erhebliche Herausforderung dar. In vielen Fällen werden Ingenieurteams zusätzliche Fachkräfte benötigen, die mit Techniken wie Beamforming und Beam-Steering vertraut sind, um sicherzustellen, dass mmWave-Signale einen Weg mit geringer Abschwächung finden können. (Siehe Abbildung 1.)

Signalintegrität und Störungen

Doch es gibt noch eine andere Perspektive zu berücksichtigen: Beim Umgang mit schwachen Signalen zählt jeder Bruchteil eines dB. Das bedeutet, dass die Herausforderungen im Zusammenhang mit mmWave weit über die Antenne hinausgehen.   Die Feeds, Leiterbahnen und Verbindungen, die in diese Antenne münden, müssen alle mit ausgezeichneter End-to-End-Signalintegrität (SI) entwickelt werden. Angesichts der Tatsache, dass diese Komponenten Frequenzen über 40 GHz verarbeiten, ist dies eine beträchtliche Herausforderung.   Die Herausforderung wird dadurch verstärkt, dass mmWave-Signale nur eine von vielen RF-Signalen sind, die in einem typischen 5G-Gerät vorkommen. Zu Beginn umfasst das 5G-Spektrum Frequenzen unter 6 GHz zusätzlich zu mmWave. Diese Sub-6-GHz-Signale sind den Entwicklern von Mobilfunkgeräten vertrauter und koexistieren problemlos mit LTE-Technologien. Dennoch bedeutet deren bloße Anwesenheit, dass Entwickler mit einem breiteren Spektrum umgehen müssen als zuvor.   Darüber hinaus sind 5G-Geräte in der Regel mit einer Reihe anderer RF-Technologien wie Wi-Fi, Bluetooth, UWB und NFC ausgestattet. Jede potenzielle Signalüberschneidung vom mmWave-System könnte die anderen Frequenzbänder beeinflussen. Da höherfrequente Signale grundsätzlich anfälliger für Überschneidungen sind, sollte dieses Risiko nicht unterschätzt werden.   Um mit diesen Herausforderungen umzugehen, müssen Ingenieursteams stärker zusammenarbeiten.   Laut unserer Umfrage „Design Engineer Tell-All“ haben sich 90 % der Ingenieurteams in den letzten Jahren verändert – Design-Engineering-Teams haben ihre Aufgabenbereiche, ihr Fachwissen und ihre Spezialisierungen erweitert, was beweist, dass Zusammenarbeit entscheidend ist.   Während SI-Ingenieure die Leistung von Verbindungselementen und Übertragungsleitungen beurteilen müssen, sollten Elektromagnetik-Experten gleichzeitig RF-Überschneidungen untersuchen. Es sollte beachtet werden, dass Designentscheidungen meist Kompromisse sind. Zum Beispiel könnte eine Änderung, die die Signalintegrität verbessert, durchaus neue Überschneidungsprobleme verursachen, und die Teams müssen gemeinsam die Vor- und Nachteile abwägen.

Leiterplattendesign und Kostenüberlegungen

Natürlich umfasst das Design von 5G-Geräten auch zahlreiche Material- und Konstruktionsentscheidungen. Der gesamte Herstellungsprozess für RF-Systeme und Antennen hat sich in den letzten Jahren dramatisch verändert und neue Gestaltungsmöglichkeiten eröffnet.   Betrachten wir die unscheinbare Leiterplatte (PCB). Bereits viele Leiterplatten wurden durch flexible Leiterplatten (FPCs) ersetzt, da sie einfacher zu integrieren sind. Diese Veränderung hat viele Auswirkungen, die über den Rahmen dieses Artikels hinausgehen. Die in FPCs verwendeten Materialien entwickeln sich jedoch stetig weiter und schaffen komplexe Abwägungen zwischen Kosten und Leistung.   Derzeit gibt es einen Trend hin zu beschichteten Kunststoffen sowie geformten und laminierten Materialien, die aus verlustarmen Flüssigkristallpolymeren (LCPs) bestehen. Diese Materialien können die Kosten erheblich senken, bringen jedoch neue Herausforderungen in Bezug auf die Permittivität mit sich. Wenn wir zu unserem Punkt über die Ausbreitungsprobleme und schwachen Signalstärken im Zusammenhang mit mmWave zurückkehren, wird leicht deutlich, wie eine schlechte Wahl von laminierten Materialien zu inakzeptabler Signaldämpfung führen kann.   Das Fazit? Für den Erfolg von 5G-Geräten sind Materialingenieure und Fertigungsexperten genauso wichtig wie Antennenexperten und Mikrowellen-Schaltungsdesigner.

Zusammenarbeit beginnt früh

In der Tat müssen alle Teams harmonisch zusammenarbeiten, um das richtige Gleichgewicht der Designvariablen zu erreichen. Um die besten Ergebnisse zu erzielen, muss diese Zusammenarbeit früh im Designprozess beginnen. Alte Muster, bei denen mit dem RF-Design erst begonnen wurde, wenn ein Gerät nahezu fertiggestellt war, sind nicht mehr tragfähig. Ebenso muss die Herstellbarkeit von Anfang an berücksichtigt werden.   Mit dieser ganzheitlichen Denkweise zu starten, ist wichtig – nicht nur, um widersprüchliche Designziele zu vermeiden. Es gibt auch Aufschluss darüber, wie gut Lieferanten auf schwierige Designentscheidungen vorbereitet sein sollten. Hier kann Molex helfen.   Die Ingenieure von Molex bringen jahrzehntelange Erfahrung in den Bereichen RF, Signalintegrität, Antennen und Fertigung mit, die erforderlich ist, um die vielschichtigen Herausforderungen beim 5G-Design zu lösen. Unsere Investitionen in 5G ermöglichen es uns, durch modernste 5G-Fertigungsausrüstung und -techniken Komponenten mit höchster Präzision zu entwickeln – und unsere Hochfrequenz-RF-Testkammern helfen uns, die Leistung der Produkte bis in das mmWave-Spektrum sicherzustellen.   Obwohl Molex vielleicht am bekanntesten für unsere Expertise in Steckverbindern ist, sind diese anderen Kompetenzbereiche entscheidend, um unsere Kunden zu unterstützen. Unser Ziel ist es, Sie als Berater auf Ihrem Weg zum 5G-Design zu begleiten. Wir verstehen die Komplexität dieser neuen Ära der mobilen Kommunikation und freuen uns, Ihnen dabei zu helfen, hochmoderne Geräte zu entwickeln.