5G移動(dòng)技術(shù):更多的設備、更高的速度與移動(dòng)性

1   5G 的工作環(huán)境

3GPP 將設備和蜂窩之間的 5G 空中接口定義為新空口 (NR)。5G 的頻率分配劃分成了2個(gè)支配性的頻帶，即 FR1 和 FR2。當前的 NR 標準提供的頻率支持范圍從 600 MHz 左右一直到 50 GHz 以上。此外，研發(fā)方面也正在努力，使頻率達到 100 GHz 及更高，甚至可以實(shí)現更高的速度。從電子設計的角度來(lái)看，這是波譜中非常大的一部分，其中 5G 頻率范圍的上下限之間存在著(zhù)極其不同的信號特征。這一事實(shí)將迫使工程師們在設計過(guò)程的早期就要考慮產(chǎn)品將支持哪些頻率，因為這個(gè)決定將會(huì )對后期開(kāi)發(fā)階段中的許多方面產(chǎn)生影響，我們在本白皮書(shū)中很快就會(huì )了解到這一點(diǎn)。

第1頻帶，也稱(chēng)為 FR1，可以進(jìn)一步劃分成低波段(600~700) MHz）和中波段(2.5~3.7) GHz）。在電磁波譜中，FR1 頻帶已經(jīng)是非常擁擠的部分了。3G/4G蜂窩式移動(dòng)電話(huà)臺并不是在 6 GHz 以下的波譜中工作的僅有設備。這些頻率里也充斥著(zhù) Wi-Fi、全球定位系統 (GPS)、藍牙和 Zigbee 的通信信號。微波爐之類(lèi)其他的非通信設備也在這一頻率范圍內運行，會(huì )產(chǎn)生極大的電磁噪聲。6 GHz 以下充斥著(zhù)大量的電磁活動(dòng)，再加上對更高數據速率的需求，就促成了轉向更高電磁波譜頻率的必要性。

第2頻帶，即 FR2，含有范圍從 (24~39) GHz 的毫米波長(cháng) (mmWave) 頻率。簡(jiǎn)而言之，mmWave 頻率的優(yōu)勢在于頻率越高，數據速率就越快。低波段頻率可提供類(lèi)似于 4G 的、(25 ~200) Mbps 的下載速度，而 FR2 頻帶則可能提供 20 Gbps 的下行鏈路。從物理的角度說(shuō)，毫米波的波長(cháng)約為 1 cm~1 mm，與之相關(guān)的頻率范圍約在 (30~300) GHz。

速度的提升必然要伴隨著(zhù)一定的代價(jià)。首先，這些頻率的傳播在視線(xiàn) (LOS) 上要受到很大的限制。在一定的距離上，頻率越高，衰減的也就越快，因此并不會(huì )傳播的足夠遠（稱(chēng)為路徑損耗），并且穿透建筑物和茂密植被也要困難得多。為了對這類(lèi)損耗做出補償，需要部署更多的蜂窩基站，在城市環(huán)境中尤其是這樣。目前存在著(zhù)形形色色的蜂窩配置來(lái)應對現實(shí)情況下的毫米波頻率。范圍從可在數十米距離上操作約十幾臺設備的毫微微蜂窩，一直延伸到在數百米內操作幾百臺設備的城市站。

2   設計和工程上的考慮事項

5G 是無(wú)線(xiàn)通信性能上的一次巨大改進(jìn)。這種性能的提升的確是以更高的復雜程度以及工程設計上獨一無(wú)二的挑戰為代價(jià)的。有關(guān)的挑戰還特別包括了以下方面：

1）信號傳輸；

2）電源管理和熱管理；

3）天線(xiàn)模塊的布局和尺寸；

4）高頻設備內信號。

首先，移動(dòng)設備和基站之間將需要密切的協(xié)調。5G NR 在很大程度上依靠多輸入多輸出 (MIMO) 相控陣天線(xiàn)架構來(lái)實(shí)現波束賦形、波束指向和波束跟蹤功能。這樣最終可以大規模地在各端點(diǎn)之間達到最大的數據速率。然而，大型 MIMO 架構需要密集的天線(xiàn)配置，這就對電子組件的性能構成了挑戰。

在更高的頻率下，天線(xiàn)單元之間保持的物理距離極小。此外，更多的 5G 組件和更高的頻率也意味著(zhù)需要為通信子系統分配更多的功率預算。在這樣的環(huán)境下提供毫米波的射頻功率并耗散掉相應產(chǎn)生的熱量會(huì )極具挑戰性，需要在系統設計和材料的選擇上有所創(chuàng )新。例如，轉為使用基于第4代氮化鎵 (GaN) 的場(chǎng)效晶體管，功率密度更高，從而實(shí)現龐大的 MIMO 架構所需的、尺寸更小的封裝。其他可以顯著(zhù)影響到移動(dòng)設備中 5G NR 性能的關(guān)鍵性組件包括天線(xiàn)和連接器。在 5G 運行環(huán)境的背景下，它們都面臨著(zhù)各自獨一無(wú)二的挑戰及考慮因素。

3   更多天線(xiàn)，更少空間

從技術(shù)的角度來(lái)看，5G 代表了一次革命性的升級，但是部署過(guò)程將呈現出極大的多樣性，這是因為運營(yíng)商會(huì )采用不同的波譜來(lái)構建自身的網(wǎng)絡(luò )，這樣就會(huì )使傳輸距離、延遲與數據攜帶能力上存在巨大的差異。盡管要花好幾年的時(shí)間才能實(shí)現無(wú)處不在的 5G覆蓋，許多種不同版本的 5G 網(wǎng)絡(luò )建設將會(huì )加快步調。如此一來(lái)，由于前面談到過(guò)的衰減性能，世界上的鄉村地區也許永遠不會(huì )享受到毫米波支持的數據速率所帶來(lái)的好處，數據速率很可能只會(huì )獲得 6 GHz 以下頻率提供的支持，因而他們的 5G 網(wǎng)絡(luò )也將會(huì )具有與 4G LTE 類(lèi)似的下載能力（速度和延遲）。

此外，從 4G 到 5G 的過(guò)渡期間發(fā)布的移動(dòng)設備幾乎必定要整合多個(gè)天線(xiàn)，以便處理除了 5G 以外的3G 和 4G LTE 波形。另外，在可以預見(jiàn)的未來(lái)，低功耗藍牙、IEEE 802.11 Wi-Fi 和 GPS 將繼續在 6 GHz以下的頻帶下運行。這就是說(shuō)，在設計時(shí)選擇毫米波和 6 GHz 以下頻率的天線(xiàn)，并不一定是一個(gè)非此即彼的過(guò)程。因此，對于移動(dòng)設備的 OEM 來(lái)說(shuō)，決定是否要添加適合毫米波頻率的天線(xiàn)，在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的設計階段和工程階段將產(chǎn)生一定的影響。如果選擇不將毫米波天線(xiàn)包含在內，那當然會(huì )存在業(yè)績(jì)上的隱憂(yōu)，因為可能會(huì )影響到產(chǎn)品的銷(xiāo)售，或者，起碼會(huì )造成消費者的混淆。

5G 中，6 GHz 以下的頻帶更加接近當前的 4GLTE 頻率。在這類(lèi)相對較低的頻率下，天線(xiàn)的布局只不過(guò)是性能方程上的一個(gè)組成部分。在確定設備無(wú)線(xiàn)通信的整體共振性能的過(guò)程中，天線(xiàn)和移動(dòng)設備的內部配置之間存在著(zhù)密切的關(guān)聯(lián)?？紤]到用戶(hù)對于超薄移動(dòng)設備的偏愛(ài)，天線(xiàn)工程師在調整天線(xiàn)的設計時(shí)，必須考慮到物理設計、材料選擇與內部的組件配置?；蛘?，在毫米波的頻率下，天線(xiàn)和手機機體之間的交互并不太值得擔憂(yōu)。相反，挑戰卻在天線(xiàn)的覆蓋層上面，無(wú)論覆蓋層材料是金屬、玻璃、甚至是塑料，在電氣上都并不輕薄，甚至還會(huì )對下方天線(xiàn)的輻射性能產(chǎn)生明顯的不利影響。此外，天線(xiàn)相對于設備用戶(hù)手部的布局，也會(huì )對毫米波的發(fā)射和接收產(chǎn)生影響。將定制的天線(xiàn)設計和獨一無(wú)二的天線(xiàn)布局與基于插槽的設計或頻率選擇表面 (FSS) 的設計原則結合到一起后，可以對移動(dòng)設備天線(xiàn)的輻射圖進(jìn)行優(yōu)化。此外，孔徑調諧和阻抗調諧之類(lèi)的天線(xiàn)調諧技術(shù)可以在更廣的帶寬上改善增益并延長(cháng)電池壽命，因為經(jīng)過(guò)調諧的天線(xiàn)消耗的電流要少于未經(jīng)調諧的天線(xiàn)，便可以提供相同程度的發(fā)射功率。

4   建立連接：連接器對傳輸路徑的影響

除了應對空中接口和相關(guān)天線(xiàn)的挑戰，極高頻率的 5G 信號還會(huì )為單晶微波積體電路 (MMIC)、芯片到封裝的互連、電路板跡線(xiàn)、電纜組件及連接器帶來(lái)進(jìn)一步的挑戰。千兆赫頻率下信號的傳播，使得電纜和跡線(xiàn)的行為有別于簡(jiǎn)單的電線(xiàn)，而是與傳輸線(xiàn)類(lèi)似。在整個(gè)傳輸線(xiàn)的長(cháng)度上，電流和電壓的幅度和相位都會(huì )發(fā)生變化。如果在設計期間不正確處理的話(huà)，那么傳輸線(xiàn)會(huì )產(chǎn)生難以排除的錯誤。如果跡線(xiàn)長(cháng)度超過(guò)信號波長(cháng)的四分之一，則在設計過(guò)程中必須考慮傳輸線(xiàn)效應。另外，天線(xiàn)效應在這類(lèi)的長(cháng)度上會(huì )產(chǎn)生一定的影響，比如說(shuō)電磁干擾和串擾，也必須由設計人員妥善處理。

為了實(shí)現有效而又具有極高效率的毫米波系統，連接器也會(huì )帶來(lái)挑戰。組件的設計人員必須應付對連接器的幾何形狀、尺寸及材料的選擇構成了約束的各種要求，與此同時(shí)仍要與整條傳輸線(xiàn)上的特性阻抗相匹配。為了減少信號反射并實(shí)現最大的功率輸送，阻抗匹配具有至關(guān)重要的作用。這樣反過(guò)來(lái)又會(huì )使天線(xiàn)輻射的能量達到最大，盡可能為接收器生成最強的無(wú)線(xiàn)信號。與之前幾代相比，5G 連接器必須能夠應對高得多的功率（特定情形下可能出現 15 安以上的瞬時(shí)電流消耗）。下一代連接器的其他設計依據包括：

1）縮短射頻端子；

2）提高屏蔽效果；

3）獨一無(wú)二的屏蔽層布置。

在 5G 連接器更為嚴格的電氣特性與機械性能、成本與制造的復雜程度之間，必須達到一種新的平衡。

●   高速連接器：在消費級產(chǎn)品內部，按照 5G 標準規定的速度在一系列組件之間推送數以百萬(wàn)比特計的數據，會(huì )構成重大的挑戰，即使在 3G甚至 4G 設備設計方面富有經(jīng)驗的廠(chǎng)商也會(huì )遇到挑戰。連接器必須經(jīng)過(guò)精心的設計和制造，以使傳輸線(xiàn)上的阻抗變化減少到最低程度。否則，信號可能發(fā)生反射，造成性能降級。外部信號還會(huì )構成威脅。因此，連接器必須為系統提供充分的保護，防止電磁干擾 (EMI) 和電容器傳感器產(chǎn)生外部信號，這一情況在更高的速度下會(huì )形成更大的挑戰。

●   微型連接器：5G 連接器必須容納于現代移動(dòng)設備提供的狹小空間當中。堆疊式連接器允許在填充緊密的柔性和剛性電路板上使用。盡管存在著(zhù)嚴格的物理約束，5G 的電子組件仍然必須符合對電壓駐波比(VSWR) 和插入損耗 (IL) 之類(lèi)散射參數的嚴格要求。精心設計的連接器應使信號的反射、降級與失真降至最低程度，與此同時(shí)還要減小自身的物理體積。連接器和相關(guān)的線(xiàn)束還必須配備充分的屏蔽措施，從而有效地降低 EMI；在毫米波的頻率下，這一點(diǎn)甚至更加關(guān)鍵。

5   明日的 5G 組件，今天的情況

5G 應用中使用的組件，必須符合在移動(dòng)設備中使用的嚴格電氣要求與機械要求。5G 組件必須整合到（至少從一開(kāi)始）還會(huì )包含原有 3G/4G 以及 Wi-Fi硬件的設備當中。對于消費類(lèi)移動(dòng)設備來(lái)說(shuō)，這將是第一次使用毫米波頻率。5G 組件選用過(guò)程中的其他考慮事項包括如下。

1）低延遲、低噪聲：5G 會(huì )提供可觀(guān)的速度，但這是以更高的設計復雜程度為代價(jià)的。組件必須經(jīng)過(guò)認真細致的設計，確保對信號完整性以及系統的整體性能只會(huì )產(chǎn)生極小的影響，或者根本不會(huì )產(chǎn)生影響。

2）高密度：組件必須具有小巧的體積與極高的能效，從而實(shí)現所需的密度，滿(mǎn)足對 5G NR 的性能規范的要求，比如說(shuō)龐大的 MIMO 天線(xiàn)架構的要求。

3）成本效益：5G 組件提出了嚴格的要求，但是也被期待著(zhù)可以嵌入到一切產(chǎn)品當中。那就意味著(zhù)組件的成本必須保持在相對較低的水平，同時(shí)還要提供與當前的 4G 技術(shù)相比更高的性能。

4）可制造性：5G 組件和系統的設計可能會(huì )極其復雜，但物理組件的制造工藝不得過(guò)于繁復。5G 的制造工具和制造技術(shù)必須在低成本的條件下實(shí)現良好的產(chǎn)出，同時(shí)還要滿(mǎn)足物理和電氣的性能特性上的嚴格要求。

5）穩健性：5G 組件將會(huì )無(wú)處不在。因此，由于會(huì )存在形形色色的環(huán)境條件以及各不相同的用例，組件必須能夠耐受嵌入到移動(dòng)設備后出現的粗暴操作。

6   Molex的優(yōu)勢

在電信和數據通信行業(yè)數十年來(lái)從事創(chuàng )新以及所積累豐富經(jīng)驗的基礎之上，Molex開(kāi)發(fā)了顛覆性的技術(shù)，并且引領(lǐng)連接標準的制定，從而推動(dòng)行業(yè)向前邁進(jìn)。我們已經(jīng)準備就緒，可以與那些期待著(zhù)將 5G移動(dòng)設備引入市場(chǎng)的參與者協(xié)作，并且分享Molex的專(zhuān)家經(jīng)驗。

Molex在 5G 的研究與開(kāi)發(fā)上全力投入，采用了更加新穎、頻率更高的測試室。Molex在產(chǎn)品設計與系統制造上的專(zhuān)家經(jīng)驗可以使設計人員創(chuàng )造出適合批量生產(chǎn)的 5G 產(chǎn)品。Molex的毫米波連接器極具成本效益，生產(chǎn)時(shí)可實(shí)現極大的批量。

對于電信和數據通信業(yè)的 OEM 來(lái)說(shuō)，Molex是一家領(lǐng)先的供應商，從開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)到全壽

命的系統支持，在高速連接和信號完整性管理以及射頻技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展出了豐富的專(zhuān)家經(jīng)驗。在將射頻天線(xiàn)、微型連接器和信號完整性設計上的豐富知識精心結合到一起后，Molex能夠創(chuàng )造出各種創(chuàng )新性的解決方案，為行業(yè)領(lǐng)先的 5G 毫米波技術(shù)企業(yè)提供大力支持。

在進(jìn)入 5G 移動(dòng)設備市場(chǎng)的這場(chǎng)競賽中，與Molex的協(xié)作可以助我們的 OEM 客戶(hù)以一臂之力。除了廣泛的產(chǎn)品線(xiàn)以及專(zhuān)業(yè)的員工以外，我們提供的能力與服務(wù)不可能在企業(yè)內部復制下來(lái)，即便有可能，那也是極其昂貴與困難的。我們一些突出的能力包括：

1）高速微型連接器設計上的專(zhuān)家經(jīng)驗：移動(dòng)設備必須符合審美上的嚴格要求，比如說(shuō)最小的產(chǎn)品物理尺寸（例如，厚度、質(zhì)量）。將越來(lái)越多的功能塞入到移動(dòng)設備之中，同時(shí)在極高的速度下運行，這就意味著(zhù)組件必須同時(shí)在機械上和在電氣上采取令人難以置信的精心設計。它們在物理上還必須足夠的穩健，從而耐受移動(dòng)設備每天都會(huì )遇到的粗暴操作。Molex提供一系列形形色色的連接器，包括鏡像夾層連接器、(2.2~5) GHz 射頻連接器系統及 QSFP 連接器，可提高設計上的靈活性并確保極高的操作效率。

2）天線(xiàn)設計上的專(zhuān)家經(jīng)驗：5G 設備需要獨一無(wú)二的天線(xiàn)設計作業(yè)與材料，在更高一些的頻率下尤為如此。Molex內部的設計專(zhuān)業(yè)人員可以針對客戶(hù)的具體應用來(lái)協(xié)助設計 5G 天線(xiàn)。Molex的多種天線(xiàn)產(chǎn)品都已經(jīng)準備就緒，可隨時(shí)用于 6 GHz 以下的 5G 應用，包括編號為 5209142、146234、207901、208485 和213523 的這些型號。

3）6 GHz 以下天線(xiàn)和毫米波天線(xiàn)的 5G 電波暗室：對 5G 功能的產(chǎn)品進(jìn)行測試以確保滿(mǎn)足規范的要求，需要的設施與設備現在尚未普及開(kāi)來(lái)。這一情況對于毫米波硬件來(lái)說(shuō)尤其嚴重。Molex的測試設施能夠測試低波段、中波段和毫米波的 5G 頻帶。在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中與Molex合作，可以給予 OEM 以充分的信心，在產(chǎn)品發(fā)布前即可使產(chǎn)品和相應的組件接受徹底的測試。這樣可以顯著(zhù)降低產(chǎn)品上市發(fā)生延誤的風(fēng)險。

4）高級仿真軟件：Molex將穩健的電磁結構解算器軟件整合到了設計流程當中，其中包括了 Ansys的高頻結構模擬器 (HFSS) 和Computer SimulationTechnology公司 (CST) 旗下的Studio套裝。HFSS 基于有限元的方法，而 CST 提供的則是可在時(shí)域和頻域下工作的多種解算器。

5）高級 MID 技術(shù)：Molex在成型互連設備/激光直接成型 (MID/LDS) 技術(shù)方面大力投入，從而在三維上可以緊密的集成各種復雜的電氣結構與機械結構。相對于傳統上二維的制造工藝來(lái)說(shuō)，MID/LDS 技術(shù)可以實(shí)現尺寸更小的 5G 組件，前者的兩個(gè)設計域幾乎沒(méi)有整合起來(lái)。

6）5G 制造能力：我們可以協(xié)助 OEM，在 5G 的電氣和射頻要求與機械和易制性的要求之間實(shí)現良好的平衡。我們擁有世界一流的制造能力，可以為OEM 快速實(shí)現定制的設計。

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2020年10月期）