毫米波给 5G 和 6G 带来互连挑战

Molex供稿

2024年4月

毫米波给 5G 和 6G 带来互连挑战

与低于6 GHz频率的信号相比，毫米波范围内的信号需要格外仔细处理，其使用的组件也更加昂贵

Molex莫仕高级产品管理总监Roger Kauffman

数据需求不断推动无线网络带宽增加，在人工智能、自动驾驶汽车、AR/VR 和其他技术的推动下，这趋势必将持续下去。配置用于5G的毫米波频段能够满足带宽需求，但在经济和技术上必须有所取舍。

毫米波的优势在于更大的带宽，频段范围从大约 30 GHz 到 300 GHz(5G 毫米波则从 24 GHz 开始)，可提供数千兆赫兹的带宽，而6 GHz以下的 5G仅有数百兆赫兹带宽。即便如此，无线通信行业仍在考虑将 100 GHz 及以下的频率用于 5G，而 6G 研究则着眼于 140 GHz 及更高的频率。这些频率在连接器、电缆、PCB 线路和空中传输的信号损耗方面带来了技术挑战。

图1：树木、玻璃、建筑物、墙壁、雨水以及其他大多数物品都会阻挡毫米波信号，不受阻隔对于这些毫米波频率的信号传输产生很大影响。

传播，即信号通过介质传播的能力，在6 GHz 以下，5G频率和毫米波频率之间存在显着和差异。如图 1所示，毫米波信号在发射器和接收器之间穿过建筑物、树木、雨水和其他物体的能力有限或减弱。使用中继器和小型蜂窝可以缓减这些问题。

此外，毫米波无线电使用带有波束转向功能的大规模多输入多输出(MIMO)天线来提高效率，其发射功率相比全向天线低得多。毫米波信号的传输距离短，这意味着可能每隔1000米距离就需要安装无线电设备，而6 GHz以下无线电设备则可以相隔数英里。这是网络运营商要考虑的成本问题之一。

毫米波的设计挑战

设计毫米波无线电还有其他挑战。随着频率的增加，毫米波元器件、PCB 材料、PCB 线路和互连器件的成本要比低频设计花费更多，才能最大限度地减少信号损耗。为此，请考虑图2所示的同轴连接器。普通 SMA 连接器的工作频率可达18 GHz。

图2. 频率越高，要求连接器的尺寸越小，但制造公差也减小了，因此成本更高。

在毫米波频率下，射频连接器需要更小的尺寸才能高效传输信号。在转向毫米波频率时，您可以使用工作频率可达40 GHz的2.92 mm连接器。遗憾的是，连接器内部组件的机械公差必须比 SMA 连接器更加严格。与工作频率低于 10 GHz 的系统相比，这些更严格的公差所需要的成本要高出两到三倍。

在 5G 的6 GHz以下无线电系统中，通常使用板对板射频同轴连接器在功率放大器板、滤波器和天线之间传输射频信号。随着发射信道数量的增加，工程师更倾向于使用图 3所示的三件式连接，以便在组装过程中实现轴向和径向对准。

图3. 频率增加，连接器亦要更短和密度更高。

对于具有64个发射通道的有源大规模MIMO天线系统来说，这相当于每个无线电至少有64个射频板对板组。有些大规模 MIMO 有源天线系统具有 128 个发射/128个接收通道或更多。如果射频连接器三件套解决方案平均每套 0.6 美元，有源天线/无线电的连接器部分的成本便可能超过 150 美元。

EMI和串扰

高频信号给连接器和电缆设计带来了额外的挑战。以大规模MIMO为例，如果射频同轴系统彼此靠近，就必须尽量减少EMI和串扰。屏蔽对于可分离接口(同轴连接器)或同轴电缆(如果使用)变得更为重要。许多射频板对板连接器使用开槽的外部接地导体，配接时可滑动或扣合。这些插槽的设计和任何潜在的轴向错位开口都必须小心管理，以最大限度地减少EMI。

图4. SMP连接器可处理高达40 GHz频率

另一个难题是信号衰减。随着信道数量的增加，每个信道的输出功率通常会有所降低。输出功率的降低增加了对低衰减射频传输路径(如板对板连接器系统)的需求。6 GHz以下应用中的许多连接器都使用模制介质材料，作为信号衰减和成本之间的折衷方案。由于信号衰减随着频率的增加而增加，射频连接器中使用的大多数模制介质材料对于毫米波无线电系统来说不够有效。工作频率在100 GHz及以上的射频连接器，通常使用空气作为主要介质，中心导体由小型模制支撑珠支撑。有些连接器(如 SMP 或 SMPM(图 4))则采用聚四氟乙烯(PTFE)介电材料，可能是一种合理的折衷方案。

PCB材料也能在无线电中传递射频信号。对于PCB 材料和上述射频同轴结构难题也有类似的考虑。目前有低损耗的PCB材料，但与6 GHz以下系统使用的材料相比，这些材料要昂贵一些。EMI 和串扰往往需要使用多层印刷电路板、通孔和其他隔离技术来控制。覆盖22 GHz 至39 GHz之间毫米波频率的 5G 大规模 MIMO 天线可能需要使用十层或更多层印刷电路板才能达到合理的性能。考虑到每个通道的适度输出功率和大规模MIMO信号的波束转向效应，想要达到系统所需的有效各向同性辐射功率(EIRP)可能比较困难。

6G的未来会如何？

在6G中，可能发挥作用的毫米波无线电系统包括从介质波导到模制天线等一系列产品。这些技术将波束的入射角引导向用户，从而最大限度地降低波束转向时的EIRP。数字波束转向设备和其他技术方面的工作仍在继续，以提高毫米波无线电性能。如果 6G 进入太赫兹频段，目前可采用工作频率高达 145 GHz 的同轴连接器。

随着 6G 研究不断深入，6.4 GHz 和 15 GHz 之间的频率也在考虑之中。这可能表明6G 将借鉴 5G RAN 部署策略的某些经验，偏向采用较低的频段。

目前，我们还不知道 6G 与 5G 或 5G-Advanced 有何不同。毫米波频率的带宽远大于6 GHz以下频段信号，大约为 1.2 GHz，而6 GHz以下频段信号则低于 600MHz。如何开发和部署对于无线网络运营商具有经济意义的系统？由于理论用例的开发需要时间，6G 是否会成为一种从7 GHz至15 GHz范围找到最大益处的折衷方案？或许，人工智能、自动驾驶汽车、VR 以及固定无线接入 (FWA) 的扩展将推动业界更多地使用毫米波频段。有可能到 2035 年，我们都希望使用全息通话代替视频会议。对比人们在 2G/3G 时代使用移动设备的方式，今日显然已经取得了长足的进步。

在不远的将来，一定会有新的案例或应用继续推动对更大带宽的需求。因为许多无线网络运营商已经拥有了这些宝贵的频段资源，只要经济合理，他们将乐意提供这些频段。