L’adozione e l’implementazione della connettività 5G sono in corso, poiché i gestori di telefonia mobile corrono per essere la prima azienda con una rete 5G. Un fattore chiave per abilitare il 5G è la bassa latenza, l’elevata larghezza di banda e l’elevata densità cellulare. Queste tre capacità richiedono agli operatori di adottare nuove tecnologie che supportino antenne più dense e frequenze a onde millimetriche nelle loro reti. Queste nuove tecnologie sono ciò che viene definito “5G-ready” o “5G-capable”. Questo articolo esplorerà cosa rende un PCB un PCB 5G, i vari metodi per progettare un PCB 5G, le implicazioni per i produttori di queste schede e come puoi prepararti all’avvento della produzione di PCB 5G.
Cos'è la tecnologia 5G?
La tecnologia 5G è l’abilitatore chiave per un’ampia gamma di nuovi prodotti e settori entusiasmanti che stanno appena iniziando a prendere forma. Dai veicoli autonomi all’Internet delle cose, alle reti a latenza ultra bassa per la finanza, l’assistenza sanitaria e altre infrastrutture critiche, ci sono molte promesse e opportunità.
Innanzitutto, il 5G non è un prodotto. Non è una singola tecnologia o un prodotto che puoi mettere su uno scaffale e quindi collegare per ottenere i risultati desiderati. Piuttosto, il 5G è un concetto generale che si riferisce a un aggiornamento dello standard di telecomunicazioni mobili che alimenta le reti wireless del mondo. La ragione dell’aggiornamento è semplice: le reti wireless stanno diventando sempre più affollate. Ogni anno, sempre più persone acquistano smartphone e utilizzano i dati mobili per accedere a Internet. Ciò sta portando a più clienti per i gestori di telefonia mobile, ma anche a una maggiore domanda sulle loro reti.
Protocolli di comunicazione 5G
Uno dei fattori chiave che influenzerà l’implementazione del 5G è il protocollo di comunicazione. Il 5G si baserà su un pugno di protocolli di comunicazione – New Radio (NR) è uno di questi. NR è lo standard 5G che consentirà la bassa latenza, l’elevata larghezza di banda e l’elevata densità cellulare richieste per il 5G.
Altri protocolli di comunicazione chiave includono:
– SC-FDMA (single-carrier frequency-division multiple access)
– OFDM (orthogonal frequency-division multiplexing)
– MIMO (multiple-input, multiple-output)
Questi protocolli di comunicazione utilizzano frequenze più elevate che consentono una latenza inferiore, una larghezza di banda più elevata e una maggiore densità cellulare. Utilizzano anche il Beamforming per concentrare i segnali. Questa è una caratteristica fondamentale per la copertura interna sia negli edifici commerciali che nelle case.
Perché la produzione 5G è importante?
I produttori di componenti critici come i PCB dovranno adattare le loro operazioni per supportare le frequenze più elevate utilizzate per il 5G. Queste frequenze sono ben al di fuori della gamma utilizzata per le reti 4G e persino LTE. Ad esempio, le tipiche antenne LTE operano nella gamma di 700 MHz. Gli standard iniziali per il 5G hanno specificato frequenze nell’intervallo di 28 GHz e 39 GHz. Questo è un aumento di quasi quattro volte la frequenza. Per peggiorare le cose, le antenne 5G saranno molto più piccole delle tipiche antenne LTE. Ciò significa che saranno meno efficienti e utilizzeranno più spazio sulla scheda. E ciò significa che i componenti che vanno sulle schede dovranno essere più piccoli.
Implicazioni della produzione di PCB 5G
Una delle implicazioni della produzione di PCB 5G è che richiederà ai produttori di passare a lunghezze di traccia più corte e larghezze di traccia di circuito stampato (PCB) più piccole. Tutto questo per supportare le frequenze più alte e le antenne più piccole. Per peggiorare le cose, le antenne più piccole consentiranno meno tolleranza nel processo di fabbricazione della scheda PCB.
Ciò significa variazioni più piccole da scheda a scheda. Ma il passaggio a frequenze inferiori avrà diverse implicazioni per i produttori di PCB. Dovranno modificare le loro apparecchiature esistenti per elaborare le frequenze più alte. Ancora più importante, le apparecchiature esistenti potrebbero non essere in grado di effettuare la transizione. È quasi certo che alcune delle apparecchiature esistenti non saranno in grado di effettuare la transizione per supportare la produzione di PCB 5G.
Come progettare un PCB 5G?
Il primo passo nella progettazione di un PCB 5G è comprendere la frequenza operativa e come influenzerà il layout della scheda. Quindi puoi selezionare le regole di progettazione della scheda appropriate. Ad esempio, se stai creando una scheda per le frequenze di 28 GHz, vorrai utilizzare i parametri della regola di progettazione della scheda a onde millimetriche per ottenere un progetto che funzioni.
Il passo successivo è selezionare i tipi di linea di trasmissione. Il 5G richiederà tracce più larghe per supportare le frequenze più alte. E le tracce larghe sono più suscettibili a EMI. Quindi vorrai utilizzare linee di trasmissione a bassa impedenza come microstriscia. Infine, vorrai assicurarti di selezionare materiali che abbiano l’impedenza e lo spessore appropriati. Ad esempio, il rame da 6 mil sarà la scelta migliore per la maggior parte delle schede 5G.
Fondamenti delle regole di progettazione di PCB a onde millimetriche
Ci sono alcune regole di progettazione di base da tenere a mente quando si progetta un circuito stampato (PCB) per un sistema a onde millimetriche (mmWave).
- Innanzitutto, le larghezze delle tracce e la spaziatura tra le tracce devono essere molto più piccole di quelle utilizzate in genere per i sistemi a bassa frequenza. Ciò è necessario per prevenire l’attenuazione e le riflessioni del segnale.
- In secondo luogo, la costante dielettrica del materiale del PCB deve essere il più bassa possibile per ridurre al minimo la perdita di segnale.
- Infine, il PCB deve essere progettato con il minor numero possibile di strati per ridurre il rischio di diafonia.
Sfide nella produzione di PCB 5G
Ci sono diverse sfide nella progettazione e produzione di PCB 5G. Una delle sfide è che la maggior parte degli strumenti di progettazione standard non supporta le frequenze 5G. Il 5G è un nuovo standard. Quindi i progettisti e gli ingegneri che operano a 28 GHz e oltre stanno letteralmente progettando una nuova tecnologia. E ciò significa che non ci saranno molti strumenti di progettazione standard disponibili per la progettazione di un PCB 5G.
Gli ingegneri dovranno utilizzare una combinazione di strumenti di progettazione assistita da computer (CAD), strumenti di simulazione e altri strumenti di progettazione. Un’altra sfida sarà l’elevato livello di rumore alle frequenze più alte. Ciò significa che i progettisti dovranno utilizzare linee di trasmissione a bassa impedenza come microstriscia. Ma i progettisti dovranno anche prestare attenzione ai fori passanti placcati e ad altri componenti ad alta densità.
