小型化之路，莫仕應(yīng)對5G普及的到來

5G基礎(chǔ)設(shè)施的首次大規(guī)模部署始于2019年，與此同時業(yè)界也發(fā)布了攜帶5G功能的手機。盡管大規(guī)模推出真正的毫米波5G這一進(jìn)程發(fā)展緩慢，但一些最大的無線元器件制造商已經(jīng)提供支持 Sub-6 GHz和毫米波接入的產(chǎn)品。根據(jù)預(yù)計，用戶將更多地訪問毫米波頻譜，因此廠家將專注于推出雙波段運行的部件，以支持低、中和高頻5G網(wǎng)絡(luò)

當(dāng)前，5G趨于采用越來越高的工作頻率，以實現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率和更低的延遲。面對更高的頻率帶來的設(shè)計挑戰(zhàn)，系統(tǒng)設(shè)計師和產(chǎn)品設(shè)計師只能采用更專業(yè)的部件來應(yīng)對。

問

在更高頻率的5G系統(tǒng)中會發(fā)生什么？

在更高頻率下運行的設(shè)備會有更大的信號損失，因此設(shè)計人員可能需要重新設(shè)計與5G信號交互的任何器件。連接器、天線、電纜和外殼都是可以與接收或發(fā)射5G 信號交互的器件。部署的4G系統(tǒng)中通常使用的器件和材料并不總能兼容5G基礎(chǔ)設(shè)施和設(shè)備中采用的更高頻率。

推動設(shè)計小型化的一些主要因素包括:

高頻天線陣列需要采用更高的天線密度

5G連接需要更大的電池容量，因此需要更大實物尺寸的電池，這會占用設(shè)備中更多的空間，因此需要器件的小型化

出現(xiàn)射頻組件的替代封裝策略和材料

對支持 5G 的設(shè)備具有更高特性密度的需求

在這些更廣泛的議題中，系統(tǒng)層面的小型化在哪里發(fā)生呢？

01

天線陣列

由于5G設(shè)備是無線的，天線顯然是一個必不可少的構(gòu)件。天線陣列尺寸隨著頻率提高而變得更小，因為它們的工作頻率與尺寸成反比。這要求廠家縮小天線陣列的尺寸，因此給PCB 制造商帶來電路板刻蝕方面的困難，也給封裝帶有天線模塊和調(diào)制解調(diào)器的天線套件制造商以及元器件制造商帶來封裝制造困難。尺寸縮小帶來了制造困難，這就為設(shè)計焊盤模式以支持所需信號帶寬的連接器帶來了挑戰(zhàn)。

對于元器件制造商而言，支持毫米波的天線陣列需要更小的器件。這對系統(tǒng)/產(chǎn)品設(shè)計人員來說是有益的，因為這些器件將騰出電路板上的空間用于其它器件。

支持5G的手機中使用的天線陣列通常是2x2貼片天線陣列。由于這些陣列的尺寸更小， 制造商在制造用于毫米波范圍的元器件時需要采取增材方法。使用更低介電常數(shù) （DK）/更低損耗的材料可以超越制造限制。不過，最終5G/6G天線陣列將達(dá)到制造極限，因為在該極限以外無法使用標(biāo)準(zhǔn)和增材加工進(jìn)行可靠制造。

02

板對板和軟排線對線連接器

電路板與組件之間進(jìn)行互連通過現(xiàn)成的連接器或自定義連接器進(jìn)行連接的。過去，通常用于毫米波系統(tǒng)的連接器與同軸電纜連接，這往往是5G頻率范圍內(nèi)傳輸信號的唯一方法。手機需要尺寸更小的連接器，因為沒有空間放置笨重的同軸連接器和電纜組件，因此業(yè)界采用了表面貼裝軟排線/對配電路板的連接器系列產(chǎn)品。 在手機中，軟排線對板和板對板連接器具有非常小的外形尺寸，因此需要堆疊元器件或把元器件連接到柔性帶狀電纜上。這些薄型連接器通常需要連接功率和數(shù)字信號電路，可能還需要傳輸射頻信號。

為了適應(yīng)PCB的尺寸和相關(guān)的工作頻率（數(shù)據(jù)和射頻），業(yè)界不得不使用較小的板對板/軟排線對板連接器。這是這方面小型化的主要驅(qū)動因素。更小的連接器則需要可確保信號完整性的更小的焊盤模式，因此在組件中將有更多的空間供元器件和電池使用。這些系統(tǒng)可能使用端子間距小于0.5毫米的焊盤，需要在毫米波范圍內(nèi)工作，但到PCB基底的信號不得出現(xiàn)損失。

03

同軸電纜和連接器

同軸電纜和連接器用于射頻設(shè)備，其中外形尺寸不是主要挑戰(zhàn)，但需要高功率處理能力，同時將彌散（自由空間損耗）和其它損耗降至最低。雖然標(biāo)準(zhǔn)的較大外形尺寸連接器（例如SMA連接器）可以在毫米波頻率下使用寬帶連接器焊盤，但在小型布局中，我們需要采用更小尺寸的連接器，這些連接器有更大特性密度并超越了尺寸限制，可以在毫米波頻段工作。當(dāng)現(xiàn)成元器件未達(dá)到外形尺寸規(guī)定指標(biāo)時，可以自定義這些連接器。

5G系統(tǒng)中出現(xiàn)的另一個挑戰(zhàn)是無源互調(diào)（PIM），它會干擾使用載波聚合式無線系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)傳輸。事實上，無源互調(diào)有時被稱為“生銹螺栓效應(yīng)”。連接器也可以是PIM的來源，載波頻率附近的少量PIM足以產(chǎn)生降低數(shù)據(jù)傳輸速率的錯誤。

一些較小的或定制連接器可以提供較低的PIM值，該情況對于以較高頻率運行的系統(tǒng)至 關(guān)重要。毫米波的信號損失（丟包率）增加，系統(tǒng)的鏈路效能變低，系統(tǒng)允許的PIM規(guī)范值也就越低。因此，為了減少發(fā)生PIM的機會，可能需要更小尺寸的連接器和電纜組件。

04

小型元器件和其他規(guī)范

手機、微型蜂窩和支持 5G 的模塊中使用的小型元器件采用另一組規(guī)范，這些規(guī)范因元器件尺寸減小而變得復(fù)雜。由于需要用更小的元器件適應(yīng)更高的頻率，這使得這些元器件的機械設(shè)計和耐用性問題變得復(fù)雜。手機和蜂窩設(shè)備必須在惡劣的環(huán)境中和各種溫度下運行，并需要永久保持正常運行，因此需要元器件符合如下環(huán)境規(guī)范要求：

環(huán)境規(guī)范

防風(fēng)雨和防水

暴露在環(huán)境中的元器件（特別是連接器）可能需要 IP6x 等級的防護以確保其可靠性。

連接器接插件的抓握力

抓握機制有助于防止系統(tǒng)中接插件受到振動或機械沖擊后意外斷開。

整合型連接器

體積較小的設(shè)備空間較小，很難容納多個連接器，因此同一根電纜上的引腳中可能既包括電源引腳也包括信號引腳。

05

為什么5G設(shè)計師選擇莫仕？

Molex莫仕為5G系統(tǒng)提供一系列工程解決方案和元器件，包括連接器解決方案。Molex莫仕采用協(xié)作方式進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計，提供測試專業(yè)知識和定制元器件設(shè)計，幫助客戶大規(guī)模推出5G產(chǎn)品。Molex莫仕的目標(biāo)是生產(chǎn)高產(chǎn)量、高性價比的產(chǎn)品，且產(chǎn)品外形尺寸適用于通信行業(yè)、物聯(lián)網(wǎng)和汽車市場。雖然這方面存在復(fù)雜性，但能幫助業(yè)界更平穩(wěn)地過渡到5G。

相關(guān)產(chǎn)品推薦

01. RF Isolators and Circulators

RF隔離器和環(huán)行器

Molex的射頻隔離器和環(huán)行器產(chǎn)品有嵌入式、表貼式、集成式及波導(dǎo)類別，提供 6,000 多種產(chǎn)品，頻率范圍從 380 MHz 到 40 GHz ，可以為匹配客戶的機械、電氣和操作參數(shù)而專門定制。其中高性能小體積7mm環(huán)行器，最低做到1.8GHZ。

▲7mm Circulators環(huán)形器

02.5G mmWave RF Flex-to Board，5G25系列

Molex莫仕 Flex-to-Board RF 5G25連接器系列采用節(jié)省空間的解決方案，支持高速數(shù)據(jù)傳輸，并能適應(yīng)各種嚴(yán)苛環(huán)境。尺寸小巧的5G25具有0.35mm的信號間距，匹配的載體高度僅為0.6mm，載體寬度僅為2.5mm，長度為3.6mm，為升級的印刷電路板（PWB）提供了設(shè)計靈活性。此外，通過使用5G25連接器，RF天線和移動設(shè)備設(shè)計工程師能將RF和非RF信號整合，從而減少連接器數(shù)量，不僅節(jié)約設(shè)計空間，也節(jié)省了成本。

▲5G25系列連接器