La technologie de filtrage des ondes millimétriques (mmWave) est un élément crucial pour permettre la communication sans fil 5G à grande échelle, 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'avenir se concentrera sur l'utilisation des fréquences supérieures à 20 GHz dans le spectre des ondes millimétriques afin d'améliorer la capacité de bande passante et, à terme, d'augmenter les débits de transmission.
Il est bien connu que, du fait de leurs hautes fréquences et de leurs importantes pertes de propagation, les signaux millimétriques nécessitent des antennes plus petites. Ces antennes sont regroupées pour former des réseaux d'antennes à faisceau étroit et à gain élevé.
L'une des principales difficultés de la conception des filtres réside dans leur adaptation aux dimensions de l'antenne, notamment pour les filtres haute fréquence. De plus, les tolérances de fabrication et la stabilité thermique des filtres influent considérablement sur tous les aspects de la conception et de la production du produit.
Contraintes de taille dans la technologie des ondes millimétriques
Dans les systèmes d'antennes classiques, l'espacement entre les éléments doit être inférieur à la moitié de la longueur d'onde (λ/2) afin d'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 ses éléments d'environ 5 mm. Par conséquent, les composants du réseau doivent être extrêmement petits.
Les réseaux phasés 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 à la carte d'antenne.
L'espace disponible sur ces cartes de 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 nettement plus petits pour être montés directement au dos de la carte de circuit imprimé de l'antenne.
Impact des tolérances de fabrication sur les filtres
Étant donné l'importance des filtres à ondes millimétriques, les tolérances de fabrication jouent un rôle primordial, influençant à la fois les performances et le coût du filtre.
Pour approfondir l'étude de ces facteurs, nous avons comparé trois méthodes de fabrication distinctes de filtres à 26 GHz :
Le tableau suivant présente les tolérances extrêmes typiques rencontrées en production :
Impact des tolérances sur les filtres micro-ruban pour circuits imprimés
Comme illustré ci-dessous, un exemple de conception de filtre microruban est présenté.
La courbe de simulation de conception est la suivante :
Pour étudier l'effet de la tolérance sur ce filtre micro-ruban PCB, huit tolérances extrêmes potentielles ont été sélectionnées, révélant des différences notables.
Impact des tolérances sur les filtres à lignes de transmission pour circuits imprimés
La conception du filtre à ligne de transmission, 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 coupure est moins abrupte et le coefficient rectangulaire est inférieur à celui de la microbande en raison de l'absence de zéros près de la bande passante, ce qui entraîne des performances harmoniques sous-optimales aux 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 des ondes millimétriques fonctionnant à des fréquences de 20 GHz ou plus est indispensable. 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 pris en compte. Il est évident que les filtres CMS présentent une stabilité supérieure aux filtres microruban et à lignes de transmission, ce qui laisse penser que les filtres CMS à montage en surface pourraient devenir la solution privilégiée pour les futures communications millimétriques.
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Date de publication : 17 juillet 2024