La technologie de filtre à ondes millimétriques (mmWave) est un élément crucial pour permettre la communication sans fil 5G grand public, mais elle est confrontée à de nombreux défis en termes de dimensions physiques, de tolérances de fabrication et de stabilité de la température.
Dans le domaine des communications sans fil 5G grand public, l’accent sera mis à l’avenir sur l’utilisation de fréquences supérieures à 20 GHz dans le spectre mmWave pour améliorer la capacité de bande passante, augmentant ainsi les taux de transmission.
Il est bien connu qu’en raison de leurs hautes fréquences et de leur perte de trajet importante, les signaux mmWave nécessitent des antennes plus petites. Ces antennes sont regroupées pour former des antennes réseau à faisceau étroit et à gain élevé.
L'une des principales difficultés de la conception des filtres réside dans l'adaptation aux dimensions de l'antenne, notamment pour les filtres haute fréquence. De plus, les tolérances de fabrication et la stabilité en température des filtres ont un impact significatif sur tous les aspects de la conception et de la production du produit.
Contraintes de taille dans la technologie mmWave
Dans les systèmes de réseaux d'antennes traditionnels, l'espacement entre les éléments doit être inférieur à la moitié de la longueur d'onde (λ/2) pour éviter les interférences. Ce principe s’applique également aux antennes à formation de faisceaux 5G. Par exemple, une antenne fonctionnant dans la bande des 28 GHz a un espacement des éléments d'environ 5 mm. Par conséquent, les composants du réseau doivent être extrêmement petits.
Les réseaux multiéléments utilisés dans les applications mmWave adoptent souvent une conception de structure planaire, comme illustré ci-dessous, où les antennes (zones jaunes) sont montées sur des cartes de circuits imprimés (PCB) (zones vertes) et les cartes de circuits imprimés (zones bleues) peuvent être connectées perpendiculairement au carte d'antenne.
L'espace sur ces circuits imprimés est déjà minime, mais les technologies émergentes explorent des structures plates encore plus compactes, ce qui implique que les filtres et autres blocs de circuits doivent être considérablement plus petits pour être montés directement à l'arrière du circuit imprimé de l'antenne.
Impact des tolérances de fabrication sur les filtres
Compte tenu de l’importance des filtres mmWave, les tolérances de fabrication jouent un rôle central, influençant à la fois les performances et le coût des filtres.
Pour approfondir ces facteurs, nous avons comparé trois méthodes distinctes de fabrication de filtres 26 GHz :
Le tableau suivant présente les tolérances extrêmes typiques rencontrées en production :
Impact de la tolérance sur les filtres microruban PCB
Comme illustré ci-dessous, une conception de filtre microruban est présentée.
La courbe de simulation de conception est la suivante :
Pour étudier l'effet de la tolérance sur ce filtre microruban PCB, huit tolérances extrêmes potentielles ont été sélectionnées, révélant des différences notables.
Impact de la tolérance sur les filtres Stripline PCB
La conception du filtre stripline, illustrée ci-dessous, est une structure à sept étages avec des cartes diélectriques RO3003 de 30 mil en haut et en bas.
L'atténuation est moins abrupte et le coefficient rectangulaire est inférieur à celui du microruban en raison de l'absence de zéros à proximité de la bande passante, ce qui entraîne des performances harmoniques sous-optimales aux fréquences distantes.
De même, une analyse de tolérance indique une meilleure sensibilité par rapport aux lignes microruban.
Conclusion
Pour que la communication sans fil 5G atteigne des vitesses plus rapides, la technologie de filtre mmWave fonctionnant à 20 GHz ou à des fréquences supérieures est impérative. Cependant, des défis persistent en termes de dimensions physiques, de stabilité des tolérances et de complexités de fabrication.
Ainsi, l’impact des tolérances sur les conceptions doit être soigneusement étudié. Il est évident que les filtres CMS présentent une plus grande stabilité que les filtres microruban et stripline, ce qui suggère que les filtres CMS à montage en surface pourraient devenir le choix courant pour les futures communications mmWave.
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Heure de publication : 17 juillet 2024