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1 5G 的工作環(huán)境

3GPP 在設(shè)備和蜂窩之間 5G 空中接口定義為新空口 (NR)。5G 頻率分布分為兩個(gè)主導(dǎo)頻帶，即 FR1 和 FR2。當(dāng)前的 NR 標(biāo)準(zhǔn)提供的頻率支持范圍從 600 MHz 左右一直到 50 GHz 以上。此外，研發(fā)也在努力實(shí)現(xiàn)頻率 100 GHz 而且更高，甚至可以實(shí)現(xiàn)更高的速度。從電子設(shè)計(jì)的角度來(lái)看，這是波譜的一大部分，其中 5G 在頻率范圍的上下限之間有非常不同的信號(hào)特征。這一事實(shí)迫使工程師在設(shè)計(jì)過(guò)程的早期階段考慮產(chǎn)品支持的頻率，因?yàn)檫@一決定將對(duì)后期開(kāi)發(fā)階段的許多方面產(chǎn)生影響，我們很快就會(huì)在這本白皮書(shū)中理解。

第一頻帶，也叫 FR1進(jìn)一步分為低波段(600~700) MHz）和中波段(2.5~3.7) GHz）。在電磁波譜中，F(xiàn)R1 頻帶已經(jīng)是非常擁擠的部分了。3G/4G蜂窩移動(dòng)電話臺(tái)不在 6 GHz 只有設(shè)備在以下波譜中工作。這些頻率也充斥著 Wi-Fi、全球定位系統(tǒng) (GPS)、藍(lán)牙和 Zigbee 通信信號(hào)。其他非通信設(shè)備，如微波爐，也在這個(gè)頻率范圍內(nèi)運(yùn)行，會(huì)產(chǎn)生很大的電磁噪聲。6 GHz 以下是大量的電磁活動(dòng)，再加上對(duì)更高數(shù)據(jù)速率的需求，有必要轉(zhuǎn)向更高的電磁波譜頻率。

第2頻帶，即 FR二、含范圍從 (24~39) GHz 的毫米波長(zhǎng) (mmWave) 頻率。簡(jiǎn)而言之，mmWave 頻率的優(yōu)點(diǎn)是頻率越高，數(shù)據(jù)速率越快。類似于低波段頻率 4G 的、(25 ~200) Mbps 和 FR2 可以提供頻帶 20 Gbps 下行鏈路。從物理的角度來(lái)看，毫米波的波長(zhǎng)約為 1 cm~1 mm，相關(guān)頻率范圍約為 (30~300) GHz。

速度的提高必須伴隨著一定的成本。首先，這些頻率在視線中傳播 (LOS) 受到很大限制。在一定距離內(nèi)，頻率越高，衰減速度越快，因此傳播不夠遠(yuǎn)（稱為路徑損失），穿透建筑物和茂密植被要困難得多。為了補(bǔ)償這種損失，需要在城市環(huán)境中部署更多的蜂窩基站，尤其是這樣。現(xiàn)實(shí)情況下，有各種蜂窩配置來(lái)應(yīng)對(duì)毫米波頻率。范圍從幾十米左右可操作十幾臺(tái)設(shè)備的微蜂窩延伸到幾百米內(nèi)可操作幾百臺(tái)設(shè)備的城市站。

2 設(shè)計(jì)和工程考慮

5G 這是無(wú)線通信性能的巨大提高。這種性能的提高確實(shí)是以更高的復(fù)雜性和工程設(shè)計(jì)中獨(dú)特的挑戰(zhàn)為代價(jià)的。相關(guān)挑戰(zhàn)還包括以下幾個(gè)方面：

1)信號(hào)傳輸；

2)電源管理和熱管理；

3)天線模塊的布局和尺寸；

4)高頻設(shè)備中的信號(hào)。

首先，移動(dòng)設(shè)備和基站需要密切協(xié)調(diào)。G NR 在很大程度上，它依賴于多輸入和多輸出 (MIMO) 相控陣天線架構(gòu)實(shí)現(xiàn)波束賦形、波束指向和波束跟蹤功能。這最終可以在每個(gè)端點(diǎn)之間大規(guī)模實(shí)現(xiàn)最大數(shù)據(jù)速率。然而，大規(guī)模 MIMO 架構(gòu)需要密集的天線配置，這挑戰(zhàn)了電子組件的性能。

在較高的頻率下，天線單元之間的物理距離非常小。另外，更多 5G 組件和更高的頻率也意味著需要為通信子系統(tǒng)分配更多的功率預(yù)算。在這種環(huán)境下，提供毫米波的射頻功率并消耗相應(yīng)的熱量將是非常具有挑戰(zhàn)性的，需要?jiǎng)?chuàng)新系統(tǒng)設(shè)計(jì)和材料選擇。例如，基于第四代氮化鎵的轉(zhuǎn)換 (GaN) 場(chǎng)效晶體管具有較高的功率密度，實(shí)現(xiàn)了巨大的功率密度 MIMO 包裝結(jié)構(gòu)所需，尺寸較小。其他能顯著影響移動(dòng)設(shè)備的設(shè)備 5G NR 性能的關(guān)鍵組件包括天線和連接器。在 5G 在運(yùn)行環(huán)境的背景下，它們都面臨著自己獨(dú)特的挑戰(zhàn)和考慮因素。

3 天線多，空間少

從技術(shù)的角度來(lái)看，5G 它代表了革命性的升級(jí)，但部署過(guò)程將非常多樣化，因?yàn)檫\(yùn)營(yíng)商將使用不同的波譜來(lái)構(gòu)建自己的網(wǎng)絡(luò)，這將使傳輸距離、延遲和數(shù)據(jù)攜帶能力有很大的差異。雖然實(shí)現(xiàn)無(wú)處不在需要幾年的時(shí)間 5G覆蓋，不同版本的種類很多 5G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)將加快步伐。這樣，由于上述衰減性能，世界農(nóng)村地區(qū)可能永遠(yuǎn)不會(huì)享受毫米波支持的數(shù)據(jù)速率的好處，數(shù)據(jù)速率可能只會(huì)獲得 6 GHz 以下頻率提供支持，因此 5G 網(wǎng)絡(luò)也會(huì)有和 4G LTE 類似的下載能力(速度和延遲)。

此外，從 4G 到 5G 在過(guò)渡過(guò)程中發(fā)布的移動(dòng)設(shè)備幾乎必須集成多個(gè)天線，以便處理 5G 以外的3G 和 4G LTE 波形。此外，在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，低功耗藍(lán)牙，IEEE 802.11 Wi-Fi 和 GPS 將繼續(xù)在 6 GHz在以下頻帶下運(yùn)行。也就是說(shuō)，在設(shè)計(jì)中選擇毫米波和 6 GHz 以下頻率的天線不一定是一個(gè)非此即彼的過(guò)程。因此，移動(dòng)設(shè)備 OEM 在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的設(shè)計(jì)階段和工程階段，決定是否添加適合毫米波頻率的天線會(huì)產(chǎn)生一定的影響。如果你選擇不包括毫米波天線，當(dāng)然會(huì)有業(yè)績(jī)擔(dān)憂，因?yàn)樗�可能�?huì)影響產(chǎn)品的銷售，或者至少會(huì)引起消費(fèi)者的混淆。

5G 中，6 GHz 以下頻帶更接近當(dāng)前頻帶 4GLTE 頻率。在這種相對(duì)較低的頻率下，天線的布局只是性能方程的一部分。在確定設(shè)備無(wú)線通信整體共振性能的過(guò)程中，天線與移動(dòng)設(shè)備內(nèi)部配置密切相關(guān)。考慮到用戶對(duì)超薄移動(dòng)設(shè)備的偏好，天線工程師必須考慮物理設(shè)計(jì)、材料選擇和內(nèi)部組件配置。或者，在毫米波的頻率下，天線和手機(jī)機(jī)體之間的不值得擔(dān)心。相反，挑戰(zhàn)在于天線的覆蓋層。無(wú)論覆蓋層材料是金屬、玻璃甚至塑料，它們?cè)陔姎馍隙疾惠p，甚至對(duì)下方天線的輻射性能產(chǎn)生明顯的不利影響。此外，與設(shè)備用戶手的布局相比，天線也會(huì)影響毫米波的發(fā)射和接收。根據(jù)插槽設(shè)計(jì)或頻率選擇定制的天線設(shè)計(jì)和獨(dú)特的天線布局 (FSS) 結(jié)合設(shè)計(jì)原則后，可以優(yōu)化移動(dòng)設(shè)備天線的輻射圖。此外，孔徑調(diào)諧、阻抗調(diào)諧等天線調(diào)諧技術(shù)可以改善帶寬增益，延長(zhǎng)電池壽命，因?yàn)檎{(diào)諧天線消耗的電流低于未調(diào)諧天線，可以提供相同程度的發(fā)射功率RICOH代理。

4 建立連接：連接器對(duì)傳輸路徑的影響

除了應(yīng)對(duì)空中接口和相關(guān)天線的挑戰(zhàn)外，高頻率 5G 信號(hào)還將是單晶微波積體電路 (MMIC)、進(jìn)一步挑戰(zhàn)芯片到包裝的互連、電路板痕跡、電纜組件和連接器。信號(hào)在千兆赫頻率下的傳使電纜和痕跡行為與簡(jiǎn)單的電線不同，但與傳輸線相似。在整個(gè)傳輸線的長(zhǎng)度上，電流和電壓的幅度和相位都會(huì)發(fā)生變化。若在設(shè)計(jì)過(guò)程中處理不當(dāng)，則傳輸線會(huì)產(chǎn)生難以排除的錯(cuò)誤。傳輸線效應(yīng)必須在設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮，如果線長(zhǎng)超過(guò)信號(hào)波長(zhǎng)的四分之一。此外，天線效應(yīng)會(huì)對(duì)這種長(zhǎng)度產(chǎn)生一定的影響，如電磁干擾和串?dāng)_，也必須由設(shè)計(jì)師妥善處理。

連接器還將挑戰(zhàn)有效、高效的毫米波系統(tǒng)。組件的設(shè)計(jì)人員必須滿足連接器的幾何形狀、尺寸和材料的選擇，并與整個(gè)傳輸線路的特性阻抗相匹配。阻抗匹配對(duì)減少信號(hào)反射，實(shí)現(xiàn)最大功率輸送至關(guān)重要。另一方面，天線輻射的能量將最大化，接收器將產(chǎn)生最強(qiáng)的無(wú)線信號(hào)。與前幾代相比，5G 連接器必須能夠處理更高的功率特定情況下可能發(fā)生） 15 安以上瞬時(shí)電流消耗)。下一代連接器的其他設(shè)計(jì)依據(jù)包括：

1)縮短射頻端子；

2)提高屏蔽效果；

3)屏蔽層布置獨(dú)特。

在 5G 電氣特性與機(jī)械性能、成本與制造的復(fù)雜性之間必須達(dá)到新的平衡。

● 高速連接器：在消費(fèi)級(jí)產(chǎn)品內(nèi)部 5G 即使在一系列組件之間推送數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的數(shù)據(jù)，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的速度也會(huì)構(gòu)成重大挑戰(zhàn) 3G甚至 4G 有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)備設(shè)計(jì)制造商也將面臨挑戰(zhàn)。連接器必須精心設(shè)計(jì)和制造，以盡量減少傳輸線上的阻抗變化。否則，信號(hào)可能會(huì)反射，導(dǎo)致性能降級(jí)。外部信號(hào)也構(gòu)成威脅。因此，連接器必須充分保護(hù)系統(tǒng)，防止電磁干擾 (EMI) 在更高的速度下，與電容器傳感器產(chǎn)生外部信號(hào)會(huì)帶來(lái)更大的挑戰(zhàn)。

● 微型連接器：5G 連接器必須容納在現(xiàn)代移動(dòng)設(shè)備提供的狹小空間中。堆疊式連接器可用于填充緊密柔性和剛性電路板。雖然有嚴(yán)格的物理約束，但5G 電子組件仍然必須符合電壓駐波比(VSWR) 和插入損耗 (IL) 嚴(yán)格要求散射參數(shù)。精心設(shè)計(jì)的連接器應(yīng)盡量減少信號(hào)的反射、降級(jí)和失真，同時(shí)減少其物理體積。還必須配備足夠的屏蔽措施來(lái)有效地減少連接器和相關(guān)線束 EMI；毫米波的頻率更為關(guān)鍵。

5 明日的 5G 組件，今天的情況

5G 在移動(dòng)設(shè)備中使用的組件必須滿足嚴(yán)格的電氣和機(jī)械要求。G 組件必須集成到(至少?gòu)囊婚_(kāi)始)，并包含原始組件 3G/4G 以及 Wi-Fi在硬件設(shè)備中。這將是消費(fèi)移動(dòng)設(shè)備首次使用毫米波頻率。G 組件選擇過(guò)程中的其他考慮因素如下。

1)低延遲、低噪聲:5G 它將提供相當(dāng)大的速度，但以更高的設(shè)計(jì)復(fù)雜性為代價(jià)。組件必須仔細(xì)設(shè)計(jì)，以確保只會(huì)對(duì)信號(hào)完整性和系統(tǒng)的整體性能產(chǎn)生很小的影響，或根本不會(huì)產(chǎn)生影響。

2)高密度:組件必須體積小，能效高，以達(dá)到所需的密度，滿足要求 5G NR 性能規(guī)范的要求，如巨大的 MIMO 要求天線架構(gòu)。

3)成本效益：5G 組件提出了嚴(yán)格的要求，但預(yù)計(jì)它們將嵌入到所有產(chǎn)品中。這意味著組件的成本必須保持在相對(duì)較低的水平，并提供與當(dāng)前相比 4G 性能高于技術(shù)。

4)可制造性:5G 組件和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可能非常復(fù)雜，但物理組件的制造過(guò)程不應(yīng)過(guò)于復(fù)雜。G 制造工具和制造技術(shù)必須在低成本條件下實(shí)現(xiàn)良好的產(chǎn)量，同時(shí)也要滿足物理和電氣性能特性的嚴(yán)格要求。

5）穩(wěn)健性：5G 組件將無(wú)處不在。因此，由于各種環(huán)境條件和不同的用例，組件必須能夠承受嵌入移動(dòng)設(shè)備后的粗糙操作。

6 Molex的優(yōu)勢(shì)

基于電信和數(shù)據(jù)通信行業(yè)幾十年的創(chuàng)新和豐富的經(jīng)驗(yàn)，Molex開(kāi)發(fā)顛覆性技術(shù)，引領(lǐng)連接標(biāo)準(zhǔn)的制定，推動(dòng)行業(yè)前進(jìn)。我們已經(jīng)準(zhǔn)備好了，我們可以期待它 5G引入市場(chǎng)的移動(dòng)設(shè)備參與者合作并分享Molex專家經(jīng)驗(yàn)。

Molex在 5G 全力投入研發(fā)，采用更新穎、更頻繁的測(cè)試室。Molex在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和系統(tǒng)制造方面的專家經(jīng)驗(yàn)可以使設(shè)計(jì)師創(chuàng)造適合批量生產(chǎn)的專家經(jīng)驗(yàn) 5G 產(chǎn)品。Molex毫米波連接器具有很高的成本效益，在生產(chǎn)過(guò)程中可以實(shí)現(xiàn)大批量。

對(duì)于電信和數(shù)據(jù)通信行業(yè) OEM 來(lái)說(shuō)，Molex是從開(kāi)發(fā)生產(chǎn)到全壽的領(lǐng)先供應(yīng)商

生命的系統(tǒng)支持在高速連接、信號(hào)完整性管理和射頻技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展了豐富的專家經(jīng)驗(yàn)。在精心結(jié)合了豐富的射頻天線、微連接器和信號(hào)完整性設(shè)計(jì)知識(shí)后，Molex為行業(yè)領(lǐng)先創(chuàng)造各種創(chuàng)新解決方案 5G 毫米波技術(shù)企業(yè)大力提供支持。

在進(jìn)入 5G 在移動(dòng)設(shè)備市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)中，與Molex合作可以幫助我們 OEM 客戶一臂之力。除了廣泛的產(chǎn)品線和專業(yè)員工，我們提供的能力和服務(wù)無(wú)法在企業(yè)內(nèi)部復(fù)制。即使有可能，也極其昂貴和困難。我們的一些突出能力包括:

1)高速微型連接器設(shè)計(jì)專家經(jīng)驗(yàn)：移動(dòng)設(shè)備必須滿足最小產(chǎn)品物理尺寸（如厚度、質(zhì)量）等嚴(yán)格的審美要求。將越來(lái)越多的功能插入移動(dòng)設(shè)備并以極高的速度運(yùn)行，這意味著組件必須同時(shí)在機(jī)械和電氣上精心設(shè)計(jì)。它們?cè)谖锢砩媳仨氉銐蚍�(wěn)定，以承受移動(dòng)設(shè)備每天遇到的粗糙操作。Molex提供包括鏡像夾層連接器(2)在內(nèi)的一系列各種連接器.2~5) GHz 射頻連接器系統(tǒng)及 QSFP 連接器可以提高設(shè)計(jì)的靈活性，保證極高的操作效率。

2)天線設(shè)計(jì)專家經(jīng)驗(yàn):5G 在更高的頻率下，設(shè)備需要獨(dú)特的天線設(shè)計(jì)操作和材料。Molex內(nèi)部設(shè)計(jì)專業(yè)人員可以協(xié)助設(shè)計(jì)客戶的具體應(yīng)用 5G 天線。Molex各種天線產(chǎn)品已準(zhǔn)備就緒，可隨時(shí)使用 6 GHz 以下的 5G 應(yīng)用程序，包括編號(hào) 5209142、146234、207901、208485 和213523 這些型號(hào)。

3）6 GHz 以下天線和毫米波天線 5G 電波暗室：是的 5G 測(cè)試功能性產(chǎn)品，確保符合規(guī)范要求，所需設(shè)施設(shè)備尚未普及。毫米波硬件尤其嚴(yán)重。Molex低波段、中波段試低波段、中波段和毫米波 5G 頻帶。在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中Molex可以給予合作 OEM 在產(chǎn)品發(fā)布前，產(chǎn)品和相應(yīng)的組件可以充分自信地進(jìn)行徹底的測(cè)試。這可以顯著降低產(chǎn)品上市延誤的風(fēng)險(xiǎn)。

4)高級(jí)仿真軟件：Molex將穩(wěn)定的電磁結(jié)構(gòu)解算器軟件集成到設(shè)計(jì)過(guò)程中，包括 Ansys高頻結(jié)構(gòu)模擬器 (HFSS) 和Computer SimulationTechnology公司 (CST) 旗下的Studio套裝。HFSS 基于有限元的方法， CST 它提供多種解算器，可以在時(shí)域和頻域下工作。

5）高級(jí) MID 技術(shù)：Molex成型互連設(shè)備/激光直接成型 (MID/LDS) 大力投入技術(shù)，使各種復(fù)雜的電氣結(jié)構(gòu)和機(jī)械結(jié)構(gòu)能夠緊密集成在三維中。與傳統(tǒng)的二維制造工藝相比，MID/LDS 該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)更小的尺寸 5G 前者的兩個(gè)設(shè)計(jì)域組件幾乎沒(méi)有集成。

6）5G 我們可以幫助制造能力 OEM，在 5G 實(shí)現(xiàn)電氣和射頻要求與機(jī)械和易制性要求之間的良好平衡。我們有世界級(jí)的制造能力OEM 快速實(shí)現(xiàn)定制設(shè)計(jì)。

(本文來(lái)源《IC2020年10月代理雜志