La adopción e implementación de la conectividad 5G está en marcha, ya que los operadores móviles compiten por ser la primera empresa en contar con una red 5G. Un factor clave para el 5G es la baja latencia, el alto ancho de banda y la alta densidad celular. Estas tres capacidades requieren que los operadores adopten nuevas tecnologías que admitan antenas más densas y frecuencias de ondas milimétricas en sus redes. Esas nuevas tecnologías son las que se denominan «preparadas para 5G» o «compatibles con 5G». En este artículo se analizará qué es lo que convierte a una PCB en una PCB 5G, los distintos métodos para diseñar una PCB 5G, las implicaciones para los fabricantes de estas placas y cómo puede prepararse para la llegada de la fabricación de PCB 5G.
¿Qué es la tecnología 5G?
La tecnología 5G es el factor clave para una amplia gama de nuevos y emocionantes productos e industrias que están empezando a tomar forma. Desde los vehículos autónomos hasta el Internet de las cosas, pasando por las redes de latencia ultrabaja para las finanzas, la sanidad y otras infraestructuras críticas, hay muchas promesas y oportunidades.
En primer lugar, el 5G no es un producto. No se trata de una tecnología o un producto único que se pueda colocar en una estantería y enchufar para obtener los resultados deseados. Más bien, el 5G es un concepto global que hace referencia a una actualización del estándar de telecomunicaciones móviles que alimenta las redes inalámbricas de todo el mundo. La razón de la actualización es sencilla: las redes inalámbricas están cada vez más saturadas. Cada año, más y más personas adquieren teléfonos inteligentes y utilizan datos móviles para acceder a Internet. Esto supone un aumento de clientes para los operadores inalámbricos, pero también una mayor demanda de sus redes.
Protocolos de comunicación 5G
Uno de los factores clave que afectarán a la implementación del 5G es el protocolo de comunicación. El 5G se basará en varios protocolos de comunicación, entre los que se encuentra el New Radio (NR). El NR es el estándar 5G que permitirá la baja latencia, el alto ancho de banda y la alta densidad celular que requiere el 5G.
Otros protocolos de comunicación clave son
:- SC-FDMA (acceso múltiple por división de frecuencia de portadora única)
– OFDM (multiplexación por división de frecuencia ortogonal)
– MIMO (entrada múltiple, salida múltiple)
Estos protocolos de comunicación utilizan frecuencias más altas que permiten una menor latencia, un mayor ancho de banda y una mayor densidad celular. También utilizan la formación de haces para enfocar las señales. Esta es una característica fundamental para la cobertura en interiores, tanto en edificios comerciales como en hogares.
¿Por qué es importante la fabricación 5G?
Los fabricantes de componentes críticos, como los PCB, tendrán que adaptar sus operaciones para soportar las frecuencias más altas que se utilizan para el 5G. Esas frecuencias están muy por fuera del rango utilizado para las redes 4G e incluso LTE. Por ejemplo, las antenas LTE típicas operan en el rango de 700 MHz. Las normas iniciales para 5G han especificado frecuencias en el rango de 28 GHz y 39 GHz. Eso supone un aumento de casi cuatro veces la frecuencia. Para empeorar las cosas, las antenas 5G serán mucho más pequeñas que las antenas LTE típicas. Eso significa que serán menos eficientes y ocuparán más espacio en la placa. Y eso significa que los componentes que se colocan en las placas también tendrán que ser más pequeños.
Implicaciones de la fabricación de PCB 5G
Una de las implicaciones de la fabricación de PCB 5G es que exigirá a los fabricantes pasar a longitudes de traza más cortas y anchos de traza de placa de circuito impreso (PCB) más pequeños. Todo ello con el fin de admitir frecuencias más altas y antenas más pequeñas. Para empeorar las cosas, las antenas más pequeñas permitirán menos tolerancia en el proceso de fabricación de placas PCB.
Eso significa variaciones más pequeñas de una placa a otra. Pero la transición a frecuencias más bajas tendrá varias implicaciones para los fabricantes de PCB. Tendrán que cambiar sus equipos actuales para procesar las frecuencias más altas. Y lo que es más importante, es posible que los equipos actuales no puedan realizar la transición. Es casi seguro que algunos de los equipos actuales no podrán realizar la transición para soportar la fabricación de PCB 5G.
¿Cómo diseñar una placa de circuito impreso 5G?
El primer paso para diseñar una PCB 5G es comprender la frecuencia de funcionamiento y cómo afectará al diseño de la placa. A continuación, puede seleccionar las reglas de diseño de placa adecuadas. Por ejemplo, si está fabricando una placa para frecuencias de 28 GHz, le interesará utilizar los parámetros de las reglas de diseño de placas de ondas milimétricas para obtener un diseño que funcione.
El siguiente paso es seleccionar los tipos de líneas de transmisión. El 5G requerirá trazas más anchas para soportar las frecuencias más altas. Y las trazas anchas son más susceptibles a las interferencias electromagnéticas. Por lo tanto, será conveniente utilizar líneas de transmisión de menor impedancia, como las microbandas. Por último, deberá asegurarse de seleccionar materiales que tengan la impedancia y el grosor adecuados. Por ejemplo, el cobre de 6 milésimas de pulgada será la mejor opción para la mayoría de las placas 5G.
Conceptos básicos sobre las reglas de diseño de PCB para ondas milimétricas
Hay algunas reglas básicas de diseño que hay que tener en cuenta al diseñar una placa de circuito impreso (PCB) para un sistema de ondas milimétricas (mmWave).
- En primer lugar, el ancho de las pistas y el espacio entre ellas deben ser mucho menores que los que se utilizan normalmente en los sistemas de baja frecuencia. Esto es necesario para evitar la atenuación y los reflejos de la señal.
- En segundo lugar, la constante dieléctrica del material de la PCB debe ser lo más baja posible para minimizar la pérdida de señal.
- Por último, la PCB debe diseñarse con el menor número posible de capas para reducir el riesgo de diafonía de señales.
Retos en la fabricación de placas de circuito impreso 5G
El diseño y la fabricación de PCB para 5G plantean varios retos. Uno de ellos es que la mayoría de las herramientas de diseño estándar no son compatibles con las frecuencias 5G. El 5G es un estándar totalmente nuevo. Por lo tanto, los diseñadores e ingenieros que trabajan a 28 GHz y más están, literalmente, diseñando una nueva tecnología. Y eso significa que no habrá muchas herramientas de diseño estándar disponibles para diseñar una PCB para 5G.
Los ingenieros tendrán que utilizar una combinación de herramientas de diseño asistido por ordenador (CAD), herramientas de simulación y otras herramientas de diseño. Otro reto será el alto nivel de ruido en las frecuencias más altas. Eso significa que los diseñadores tendrán que utilizar líneas de transmisión de baja impedancia, como las microcintas. Pero los diseñadores también tendrán que tener cuidado con los agujeros metalizados y otros componentes de alta densidad.
