La technologie de filtrage 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 de la communication 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 fréquences élevées et de leur perte de trajet importante, les signaux à ondes millimétriques 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 thermique 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 d'antennes réseau 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 présente un espacement entre les éléments d'environ 5 mm. Par conséquent, les composants du réseau doivent être extrêmement compacts.
Les réseaux phasés utilisés dans les applications mmWave adoptent souvent une conception de structure plane, 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 à la carte d'antenne.
L'espace sur ces circuits imprimés est déjà minimal, 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 PCB 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 essentiel, influençant à la fois les performances et le coût du filtre.
Pour étudier plus en détail ces facteurs, nous avons comparé trois méthodes distinctes de fabrication de filtres 26 GHz :
Le tableau suivant décrit les tolérances extrêmes typiques rencontrées en production :
Impact de la tolérance sur les filtres microrubans pour circuits imprimés
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 à bande PCB
La conception du filtre à bande, illustrée ci-dessous, est une structure à sept étages avec des cartes diélectriques RO3003 de 30 mil en haut et en bas.
La pente de décroissance est moins prononcée 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 à des fréquences éloignées.
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 débits plus élevés, la technologie de filtrage mmWave fonctionnant à des fréquences de 20 GHz ou plus est impérative. Cependant, des défis persistent en termes de dimensions physiques, de stabilité des tolérances et de complexité de fabrication.
L'impact des tolérances sur les conceptions doit donc être soigneusement étudié. Il est évident que les filtres CMS présentent une plus grande stabilité que les filtres microrubans et stripline, ce qui suggère que les filtres CMS à montage en surface pourraient s'imposer comme le choix dominant pour les futures communications à ondes millimétriques.
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Date de publication : 17 juillet 2024