5G RF設計における隠れた課題

5Gの到来は、明白なものからあまり目立たないものまで、広範囲にわたるRF設計の課題をもたらしました。たとえば、ミリ波(mmWave)に関連する難しさは広く議論されていますが、信号の整合性やハードウェアコストも重要な問題です。これらの課題の全容を明らかにする前に、誰に影響を与えるかを考えてみましょう。5Gは、エコシステム全体にとって大きな変化をもたらすという点で、他に類を見ないものです。その完全な利点を実現するためには、移動体通信事業者とそのエンドユーザーの両方が新しい考え方を採用する必要があります。アンテナ設計者、マイクロ波回路設計者、さらにはPCB設計のような一見関連性のない分野で働く人々も新たな問題に直面しています。それでは、5Gがなぜこのように広範かつ微妙な設計上の課題を提供するのか（そしていくつかの解決策も！）をより詳しく見ていきましょう。

不十分な伝搬対アレイアンテナ

注目を集める要素、つまり信号の伝搬から始めましょう。以前のセルラー技術とは異なり、mmWaveは遠くまで届きません。建物、地形、人間、さらには天候ですら、mmWave信号を減衰させる可能性があります。一つ明らかな結果は、モバイル通信事業者がエンドユーザーの近くにより多くの基地局を必要とすることです。   しかし、多くの基地局があっても、信号の伝搬は課題となる可能性があります。結局のところ、人間の体はmmWave周波数の優れた吸収体です。つまり、電話を持つ手だけで信号を使えなくしてしまうことがあります。この結果、mmWaveシステムは通常複数のアンテナ、そしてより重要なアンテナアレイを必要とします。   多くのアンテナエンジニアはアンテナアレイに関する経験が不足しているため、この要件は大きな課題となります。多くの場合、mmWave信号が減衰の少ない経路を見つけられるようにするために、ビームフォーミングやビームステアリング技術に精通した追加の人材をエンジニアリングチームに導入する必要があるでしょう。（図1を参照。）

信号の整合性と干渉

しかし、別の観点を考慮する必要があります。弱い信号を扱う場合、dBのわずかな差が重要になります。つまり、mmWave（ミリ波）に関連する課題はアンテナを超えて広がります。   そのアンテナに接続するフィード、トレース、接続部分のすべてが、優れたエンドツーエンドの信号整合性（SI）を考慮して設計される必要があります。これらのコンポーネントが40 GHzを超える周波数を扱うことを考えると、これは決して小さな課題ではありません。   課題をさらに複雑にしているのは、mmWave信号が典型的な5Gデバイスに含まれる多くのRF信号の1つに過ぎないという事実です。まず、5Gのスペクトルには、mmWaveに加えてサブ6 GHzの周波数が含まれています。サブ6 GHzの信号はセルラー機器の設計者には馴染みがあり、LTE技術と容易に共存します。しかし、それらの存在だけでも設計者は従来より広いスペクトルに対応する必要があります。   さらに、5Gデバイスには通常、Wi-Fi、Bluetooth、UWB、NFCなどの他の多くのRF技術が組み込まれています。mmWaveシステムからの漏洩は、他の周波数帯に影響を及ぼす可能性があります。特に高周波信号は本質的に漏洩しやすいため、このリスクは軽視できません。   これらの課題に対処するために、エンジニアリングチームはより協力的になる必要があります。   「Design Engineer Tell-All」調査によると、過去数年でエンジニアリングチームの90％が変化しており、設計エンジニアリングチームはその範囲、専門知識、専門化が拡大し、協力が不可欠であることを示しています。   SIエンジニアは相互接続および伝送線路の性能を評価する必要がある一方で、電磁気の専門家は同時にRF漏洩を検討しなければなりません。設計の選択は通常、妥協の産物であることを忘れてはなりません。たとえば、SIを改善する変更が新たな漏洩の問題を引き起こす可能性があり、チームはそのトレードオフを協力して評価する必要があります。

回路基板設計とコストの考慮事項

もちろん、5Gデバイスの設計には、多くの材料や構造の選択も関わってきます。過去数年間でRFシステムやアンテナの製造プロセスが劇的に変化し、設計オプションの新しい可能性が広がっています。   控えめなプリント基板（PCB）を考えてみてください。すでに、より梱包しやすいフレキシブルプリント回路（FPC）に多くのPCBが取って代わられています。この変化には、この記事の範囲を超える多くの重要な示唆がありますが、FPCに使用される材料は進化し続けており、コストと性能の間で複雑なトレードオフを生み出しています。   現在では、メッキされたプラスチックや、低損失液晶ポリマー（LCP）から作られる成形およびラミネート材料に移行する動きがあります。これらの材料はコストを大幅に削減する可能性がありますが、一方で誘電率に関連する新たな懸念も生み出します。ミリ波に関連する伝播問題と弱い信号強度について述べたポイントに戻ると、貧弱なラミネート材料の選択が許容できない信号劣化を引き起こす可能性が容易に想像できます。   結論として？5Gデバイスの成功については、材料エンジニアや製造の専門家が、アンテナ専門家やマイクロ波回路設計者と同じくらい重要です。

コラボレーションは早期に始まります

確かに、全てのチームが調和して働き、設計変数の適切なバランスを達成する必要があります。最良の成果を得るためには、この協力を設計プロセスの早い段階で始める必要があります。従来のデバイスがほぼ完成するまでRF設計を始めるのを待つという古い方法は、もはや有効ではありません。同様に、製造可能性も最初から考慮されるべきです。
 
この包括的な考え方でスタートすることは、競合する設計目標を避けるだけでなく、困難な設計判断をサポートするためにサプライヤーがどれほど準備を整えるべきかについての指針にもなります。ここでMolexが役立ちます。
 
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