Los desafíos ocultos del diseño RF en 5G

La llegada del 5G ha introducido una amplia gama de desafíos en el diseño RF, algunos evidentes y otros menos aparentes. Las dificultades asociadas con la onda milimétrica (mmWave) han sido ampliamente discutidas, por ejemplo, pero la integridad de la señal y los costos del hardware también son problemas importantes. Antes de revelar el alcance completo de estos desafíos, tomemos un momento para considerar a quiénes afecta. El 5G es inusual en el sentido de que representa un cambio significativo para todo el ecosistema. Para lograr sus beneficios completos, tanto los operadores móviles como sus usuarios finales deben adoptar nuevas mentalidades. Los diseñadores de antenas, los diseñadores de circuitos de microondas e incluso aquellos que trabajan en áreas aparentemente no relacionadas, como el diseño de PCB, están enfrentando nuevos problemas. Ahora echemos un vistazo más de cerca a los problemas para entender por qué el 5G ofrece desafíos de diseño tan diversos y sutiles (¡y también algunas soluciones!).

Propagación deficiente vs. antenas de matriz

Comencemos con el tema llamativo: la propagación de señales. A diferencia de las tecnologías celulares anteriores, mmWave no alcanza largas distancias. Los edificios, el terreno, las personas e incluso el clima pueden atenuar las señales mmWave. Una consecuencia obvia es que los operadores móviles necesitan más estaciones base, más cerca de sus usuarios finales.   Pero incluso con numerosas estaciones base, la propagación de señales puede ser un problema. Después de todo, los cuerpos humanos son excelentes absorbentes de frecuencias mmWave. Esto significa que solo una mano sujetando un teléfono puede hacer que una señal sea inutilizable. Como resultado, los sistemas mmWave típicamente requieren múltiples antenas, y más significativamente, arreglos de antenas.   Dado que muchos ingenieros de antenas carecen de experiencia con arreglos de antenas, este requisito representa un desafío importante. En muchos casos, los equipos de ingeniería necesitarán incorporar talento adicional familiarizado con las técnicas de formación de haces y direccionamiento de haces para garantizar que las señales mmWave puedan encontrar un camino de baja atenuación. (Ver Figura 1.)

Integridad de la señal e interferencia

Pero hay otro ángulo que considerar: al trabajar con señales débiles, cada fracción de un dB cuenta. Esto significa que los desafíos relacionados con mmWave van mucho más allá de la antena.   Las alimentaciones, trazas y conexiones que llegan a esa antena deben diseñarse teniendo en mente una excelente integridad de señal (SI) de extremo a extremo. Dado que estos componentes manejan frecuencias superiores a 40 GHz, este no es un desafío pequeño.   Complicando aún más el desafío está el hecho de que las señales mmWave son solo una de muchas señales RF encontradas en un dispositivo típico de 5G. Para empezar, el espectro de 5G incluye frecuencias sub-6 GHz además de mmWave. Las señales sub-6 GHz son más familiares para los diseñadores de equipos de telecomunicaciones y coexisten fácilmente con las tecnologías LTE. Sin embargo, su mera presencia significa que los diseñadores deben trabajar con un espectro más amplio que antes.   Además, los dispositivos 5G normalmente están repletos de otras tecnologías RF, incluyendo Wi-Fi, Bluetooth, UWB y NFC. Cualquier fuga del sistema mmWave tiene el potencial de afectar a las otras bandas de frecuencia. Dado que las señales de mayor frecuencia son inherentemente más propensas a fugas, este riesgo no debe subestimarse.   Para abordar estos desafíos, los equipos de ingeniería deben ser más colaborativos.   En nuestra encuesta “Design Engineer Tell-All”, el 90% de los equipos de ingeniería han cambiado en los últimos años, con equipos de ingeniería de diseño ampliando su alcance, experiencia y especialización, demostrando que la colaboración es vital.   Mientras los ingenieros de SI necesitan evaluar el desempeño de las interconexiones y líneas de transmisión, los expertos en electromagnetismo deben examinar simultáneamente las fugas RF. Tenga en cuenta que las elecciones de diseño suelen ser compromisos. Por ejemplo, un cambio que mejora la SI podría generar nuevos problemas de fugas, y los equipos deben trabajar juntos para evaluar las compensaciones.

Diseño de placas de circuito y consideraciones de costo

Por supuesto, el diseño de dispositivos 5G también involucra una amplia variedad de materiales y elecciones de construcción. Todo el proceso de fabricación de sistemas RF y antenas ha cambiado drásticamente en los últimos años, abriendo un nuevo panorama de opciones de diseño.   Considere la modesta placa de circuito impreso (PCB). Ya muchas PCBs han cedido el paso a los circuitos impresos flexibles (FPCs) ya que son más fáciles de empaquetar. Este cambio tiene muchas implicaciones que van más allá del alcance de este artículo, pero los materiales utilizados en los FPCs siguen evolucionando, creando complejos compromisos entre costo y rendimiento.   Ahora hay un cambio hacia los plásticos metalizados, materiales moldeados y laminados fabricados con polímeros de cristal líquido de baja pérdida (LCPs). Estos materiales pueden reducir significativamente los costos, pero también generan nuevas preocupaciones relacionadas con la permitividad. Volviendo a nuestro punto sobre los problemas de propagación y las debilidades de señal asociadas con mmWave, es fácil ver cómo una mala elección de materiales laminados podría causar una degradación inaceptable de la señal.   ¿La conclusión? Cuando se trata del éxito de los dispositivos 5G, los ingenieros de materiales y los expertos en fabricación son tan importantes como los expertos en antenas y los diseñadores de circuitos de microondas.

La colaboración comienza temprano

De hecho, todos los equipos deben trabajar en armonía para lograr el equilibrio adecuado de las variables de diseño. Para obtener los mejores resultados, esta colaboración debe comenzar temprano en el proceso de diseño. Los antiguos patrones de esperar para comenzar el diseño de RF hasta que un dispositivo estuviera casi completo ya no son viables. De manera similar, la fabricabilidad debe considerarse desde el principio.   Comenzar con esta mentalidad holística es importante no solo para evitar objetivos de diseño conflictivos. También informa qué tan bien preparados deben estar los proveedores para respaldar decisiones de diseño difíciles. Aquí es donde Molex puede ayudar.   Los ingenieros de Molex aportan décadas de experiencia en RF, integridad de señales, antenas y fabricación, necesarias para resolver los desafíos multifacéticos del diseño 5G. Nuestras inversiones en 5G nos permiten fabricar componentes con la máxima precisión gracias a equipos y técnicas de fabricación 5G de última generación, y nuestras cámaras de prueba RF de alta frecuencia nos ayudan a garantizar el rendimiento de los productos incluso dentro del espectro mmWave.   Si bien Molex es quizás más conocido por nuestra experiencia en conectores, estas otras áreas de excelencia son fundamentales para apoyar a nuestros clientes. Nuestro objetivo es actuar como un asesor en su viaje al diseño de 5G. Entendemos las complejidades de esta nueva era de comunicaciones celulares y nos entusiasma ayudarle a producir dispositivos de vanguardia.