ミリ波 (mmWave) フィルター技術は、主流の 5G 無線通信を可能にする重要なコンポーネントですが、物理的寸法、製造公差、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、将来の焦点はミリ波スペクトル内の 20 GHz を超える周波数の利用に移り、帯域幅容量を強化し、最終的には伝送速度を向上させることになります。
ミリ波信号は周波数が高く、経路損失が大きいため、より小型のアンテナが必要であ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て、狭ビーム、高利得のアレイ アンテナを形成します。
フィルタ設計における主な困難の 1 つは、特に高周波フィルタの場合、アンテナの寸法に適応させることにあります。さらに、フィルターの製造公差と温度安定性は、製品設計と製造のあらゆる側面に大きな影響を与えます。
ミリ波テクノロジーのサイズ制約
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の間隔を波長の半分 (λ/2) 未満にする必要があります。この原理は 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。たとえば、28 GHz 帯域で動作するアンテナの素子間隔は約 5 mm です。したがって、アレイ内のコンポーネントは非常に小さくなければなりません。
ミリ波アプリケーションで使用されるフェーズド アレイは、以下に示すように平面構造設計を採用することが多く、アンテナ (黄色の領域) はプリント基板 (PCB) (緑色の領域) に実装され、回路基板 (青色の領域) は PCB に垂直に接続できます。アンテナ基板。
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模索されており、アンテナ PCB の背面に直接実装するにはフィルターやその他の回路ブロックを大幅に小さくする必要があることを意味しています。
フィルターに対する製造公差の影響
ミリ波フィルターの重要性を考えると、製造公差は極めて重要な役割を果たし、フィルターの性能とコストの両方に影響を与えます。
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 フィルター製造方法を比較しました。
次の表は、生産現場で発生する典型的な極端な公差の概要を示しています。
PCB マイクロストリップ フィルタに対する公差の影響
以下に示すように、マイクロストリップ フィルターの設計が示されています。
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 フィルタに対する公差の影響を調査するために、8 つの潜在的な極端な公差が選択され、顕著な違いが明らかになりました。
PCB ストリップライン フィルタへの公差の影響
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 誘電体基板を備えた 7 段構造です。
ロールオフはそれほど急峻ではなく、通過帯域近くにゼロがないため方形係数はマイクロストリップの係数より劣っており、その結果、遠方の周波数では次善の高調波性能が得られます。
同様に、公差解析により、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わかります。
結論
5G 無線通信の高速化には、20 GHz 以上の周波数で動作するミリ波フィルター技術が不可欠です。しかし、物理的寸法、公差の安定性、製造の複雑さの点で課題は依然として残っています。
したがって、設計に対する公差の影響を慎重に考慮する必要があります。 SMT フィルタがマイクロストリップやストリップライン フィルタよりも優れた安定性を示していることは明らかであり、SMT 表面実装フィルタが将来のミリ波通信の主流の選択肢として浮上する可能性があることを示唆しています。
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投稿日時: 2024 年 7 月 17 日