ミリ波 (mmWave) フィルタ技術は、主流の 5G ワイヤレス通信を可能にするための重要なコンポーネントですが、物理的な寸法、製造許容差、温度安定性の点で多くの課題に直面しています。
主流の5G無線通信の分野では、将来的には、帯域幅容量を拡張し、最終的に伝送速度を向上させるために、mmWaveスペクトル内の20GHzを超える周波数を活用することに重点が移ります。
ミリ波信号は周波数が高く、経路損失が大きいため、小型のアンテナが必要となることはよく知られています。これらのアンテナはグループ化され、狭ビーム・高利得アレイアンテナを形成します。
フィルタ設計における主な難しさの一つは、特に高周波フィルタにおいて、アンテナの寸法への適合にあります。さらに、フィルタの製造公差と温度安定性は、製品の設計と製造のあらゆる側面に大きな影響を与えます。
mmWave技術におけるサイズ制約
従来のアンテナアレイシステムでは、干渉を避けるために、素子間隔を波長の半分（λ/2）未満にする必要があります。この原則は5Gビームフォーミングアンテナにも同様に当てはまります。例えば、28GHz帯で動作するアンテナの素子間隔は約5mmです。したがって、アレイ内のコンポーネントは極めて小型でなければなりません。
mmWave アプリケーションで使用されるフェーズド アレイでは、多くの場合、下図のような平面構造設計が採用されており、アンテナ (黄色の領域) がプリント回路基板 (PCB) (緑の領域) に取り付けられ、回路基板 (青の領域) がアンテナ ボードに垂直に接続できます。
これらの回路基板上のスペースはすでに最小限ですが、新興技術ではさらにコンパクトなフラット構造が検討されており、フィルタやその他の回路ブロックを大幅に小型化してアンテナ PCB の背面に直接取り付ける必要があることを意味します。
製造公差がフィルターに与える影響
mmWave フィルタの重要性を考えると、製造許容差は重要な役割を果たし、フィルタのパフォーマンスとコストの両方に影響を及ぼします。
これらの要因をさらに調査するために、3 つの異なる 26 GHz フィルタ製造方法を比較しました。
次の表は、製造時に発生する典型的な極端な許容範囲の概要を示しています。
PCBマイクロストリップフィルタへの許容差の影響
以下に示すように、マイクロストリップ フィルタの設計が紹介されています。
設計シミュレーション曲線は次のとおりです。
この PCB マイクロストリップ フィルタに対する許容差の影響を調べるために、8 つの潜在的な極端な許容差が選択され、顕著な違いが明らかになりました。
PCBストリップラインフィルタへの許容差の影響
以下に示すストリップライン フィルタの設計は、上部と下部に 30 ミルの RO3003 誘電体ボードを備えた 7 段構造です。
ロールオフはそれほど急峻ではなく、通過帯域の近くにゼロがないため、矩形係数はマイクロストリップよりも劣り、その結果、離れた周波数での高調波性能は最適ではなくなります。
同様に、許容差分析では、マイクロストリップラインと比較して感度が優れていることが示されています。
結論
5G無線通信の高速化には、20GHz以上の周波数で動作するミリ波フィルタ技術が不可欠です。しかし、物理的な寸法、許容誤差の安定性、製造の複雑さといった課題が依然として残っています。
したがって、設計における公差の影響を慎重に考慮する必要があります。SMTフィルタはマイクロストリップフィルタやストリップラインフィルタよりも優れた安定性を示すことが明らかであり、SMT表面実装フィルタが将来のミリ波通信の主流となる可能性を示唆しています。
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投稿日時: 2024年7月17日