5G射频设计的隐藏挑战

5G 的到来引入了广泛的射频设计挑战——有些显而易见，有些则不那么明显。例如，与毫米波（mmWave）相关的难题已被广泛讨论，但信号完整性和硬件成本同样是主要问题。在我们揭示这些挑战的全貌之前，让我们先花点时间思考一下谁会受到影响。5G 的特殊之处在于，它是整整个生态系统的一次重大变革。为了充分发挥其优势，移动运营商及其终端用户都必须接受全新的思维方式。天线设计师、微波电路设计师，甚至从事看似不相关领域（如 PCB 设计）的人都面临新的问题。现在，让我们更深入地看看这些问题，以了解为何 5G 提出了如此广泛且微妙的设计挑战（以及一些解决方案！）

较差的传播与阵列天线

让我们从最引人注目的话题开始：信号传播。与之前的蜂窝技术不同，毫米波（mmWave）的传播距离较短。建筑物、地形、人群，甚至天气都会削弱毫米波信号。一个显而易见的后果是，移动运营商需要更多的基站，而且这些基站需要更靠近最终用户。   但即使有足够多的基站，信号传播依然可能成为问题。毕竟，人类身体非常善于吸收毫米波频段的信号。这意味着，仅仅是用手握住手机，就可能导致信号不可用。因此，毫米波系统通常需要多个天线——更重要的是，需要天线阵列。   由于许多天线工程师缺乏天线阵列的相关经验，这一需求构成了一个显著的挑战。在很多情况下，工程团队需要引入熟悉波束成形（beamforming）和波束控制（beam-steering）技术的额外人才，以确保毫米波信号能够找到低衰减路径。（见图1。）

信号完整性与干扰

但还有另一个角度需要考虑：在处理弱信号时，每一分贝的小数部分都至关重要。这意味着与毫米波（mmWave）相关的挑战远远超出了天线本身。   进入天线的馈线、走线以及连接必须都以实现出色的端到端信号完整性（SI）为目标来进行设计。鉴于这些组件需要处理超过40 GHz的频率，这无疑是一项巨大挑战。   进一步加剧这一挑战的是，毫米波信号只是典型5G设备中众多射频（RF）信号之一。首先，5G频谱除了毫米波，还包括了6 GHz以下的频率。6 GHz以下的信号对蜂窝设备设计人员来说更加熟悉，它们能够轻松与LTE技术共存。然而，它们的存在意味着设计人员必须处理比以往更广范围的频谱。   此外，5G设备通常还集成了其他众多RF技术，包括Wi-Fi、蓝牙（Bluetooth）、超宽带（UWB）以及近场通信（NFC）。来自毫米波系统的任何泄漏都有可能影响其他的频率频段。鉴于高频信号本质上更容易发生泄漏，这一风险不可低估。   为了应对这些挑战，工程团队必须更加紧密协作。   在我们的“设计工程师知无不言”问卷调查中，90%的工程团队在最近几年发生了变化，设计工程团队在范围、专业知识以及细分领域上都有所扩展，这充分证明了协作的重要性。   当信号完整性工程师需要评估互连和传输线性能时，电磁学专家必须同时研究射频泄漏。请记住，设计选择通常涉及权衡。例如，一项能够改善信号完整性的改变可能会带来新的泄漏问题，团队必须共同努力评估这些权衡。

电路板设计与成本考量

当然，5G设备设计还涉及大量的材料选择和结构设计。过去几年中，射频系统和天线的整个制造过程发生了巨大的变化，开辟出了一个全新的设计选择领域。   以我们熟悉的印刷电路板（PCB）为例。现在，许多PCB已经被柔性印刷电路板（FPC）取代，因为它们更容易封装。这种变化带来了许多影响，超出了本文涉及的范围。不过，FPC中所使用的材料仍在不断演变，导致了成本与性能之间的复杂权衡。   如今，人们开始转向镀塑材料，这些材料由低损耗液晶高分子（LCP）制成，经过模塑和层压。这些材料可以显著降低成本，但同时也引发了与介电常数相关的新问题。结合毫米波传播问题和信号强度较弱的特点，我们很容易理解如果选择了性能不佳的层压材料，可能会导致不可接受的信号衰减。   总结一句话：对于5G设备的成功而言，材料工程师和制造专家的重要性丝毫不亚于天线专家和微波电路设计师。

协作从早开始

确实，所有团队都必须协同合作，才能在设计变量上达到正确的平衡。为了取得最佳结果，这种合作必须在设计过程的早期就开始。过去等待设备几乎完成后再开始射频（RF）设计的旧模式已不再适用。同样，产品的可制造性也必须从一开始就被考虑在内。   从这种整体思维方式入手，不仅仅是为了避免设计目标之间的冲突。它还能帮助明确供应商在支持复杂设计决策时应该做好怎样的准备。这正是Molex可以提供帮助的地方。   Molex的工程师在射频（RF）、信号完整性，天线以及制造领域拥有数十年的专业知识，能够解决复杂的5G设计挑战。我们在5G领域的投入使我们能够以最先进的5G制造设备和技术精确打造元件——同时，我们的高频射频测试室能够确保产品的性能延伸至毫米波（mmWave）频段。   虽然Molex以在连接器领域的专业知识而闻名，这些其他优秀领域同样对于支持我们的客户至关重要。我们的目标是成为您通往5G设计旅程中的顾问。我们了解这一新移动通信时代的复杂性，并期待帮助您打造领先的设备。