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

1   5G 的工作環(huán)境

3GPP 將設(shè)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(dāng)前的 NR 標(biāo)準(zhǔn)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(dá)到 100 GHz 及更高，甚至可以實(shí)現(xiàn)更高的速度。從電子設(shè)計(jì)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極其不同的信號(hào)特征。這一事實(shí)將迫使工程師們?cè)谠O(shè)計(jì)過(guò)程的早期就要考慮產(chǎn)品將支持哪些頻率，因?yàn)檫@個(gè)決定將會(huì)對(duì)后期開(kāi)發(fā)階段中的許多方面產(chǎn)生影響，我們?cè)诒景灼?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，F(xiàn)R1 頻帶已經(jīng)是非常擁擠的部分了。3G/4G蜂窩式移動(dòng)電話臺(tái)并不是在 6 GHz 以下的波譜中工作的僅有設(shè)備。這些頻率里也充斥著 Wi-Fi、全球定位系統(tǒng) (GPS)、藍(lán)牙和 Zigbee 的通信信號(hào)。微波爐之類(lèi)其他的非通信設(shè)備也在這一頻率范圍內(nèi)運(yùn)行，會(huì)產(chǎn)生極大的電磁噪聲。6 GHz 以下充斥著大量的電磁活動(dòng)，再加上對(duì)更高數(shù)據(jù)速率的需求，就促成了轉(zhuǎn)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(zhǎng) (mmWave) 頻率。簡(jiǎn)而言之，mmWave 頻率的優(yōu)勢(shì)在于頻率越高，數(shù)據(jù)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(zhǎng)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一定的代價(jià)。首先，這些頻率的傳播在視線 (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(yuǎn)（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(duì)這類(lèi)損耗做出補(bǔ)償，需要部署更多的蜂窩基站，在城市環(huán)境中尤其是這樣。目前存在著形形色色的蜂窩配置來(lái)應(yīng)對(duì)現(xiàn)實(shí)情況下的毫米波頻率。范圍從可在數(shù)十米距離上操作約十幾臺(tái)設(shè)備的毫微微蜂窩，一直延伸到在數(shù)百米內(nèi)操作幾百臺(tái)設(shè)備的城市站。

2   設(shè)計(jì)和工程上的考慮事項(xiàng)

5G 是無(wú)線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(fù)雜程度以及工程設(shè)計(jì)上獨(dú)一無(wú)二的挑戰(zhàn)為代價(jià)的。有關(guān)的挑戰(zhàn)還特別包括了以下方面：

1）信號(hào)傳輸；

2）電源管理和熱管理；

3）天線模塊的布局和尺寸；

4）高頻設(shè)備內(nèi)信號(hào)。

首先，移動(dòng)設(shè)備和基站之間將需要密切的協(xié)調(diào)。5G NR 在很大程度上依靠多輸入多輸出 (MIMO) 相控陣天線架構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)波束賦形、波束指向和波束跟蹤功能。這樣最終可以大規(guī)模地在各端點(diǎn)之間達(dá)到最大的數(shù)據(jù)速率。然而，大型 MIMO 架構(gòu)需要密集的天線配置，這就對(duì)電子組件的性能構(gòu)成了挑戰(zhàn)。

在更高的頻率下，天線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需要為通信子系統(tǒng)分配更多的功率預(yù)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(yīng)產(chǎn)生的熱量會(huì)極具挑戰(zhàn)性，需要在系統(tǒng)設(shè)計(jì)和材料的選擇上有所創(chuàng)新。例如，轉(zhuǎn)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(xiàn)龐大的 MIMO 架構(gòu)所需的、尺寸更小的封裝。其他可以顯著影響到移動(dòng)設(shè)備中 5G NR 性能的關(guān)鍵性組件包括天線和連接器。在 5G 運(yùn)行環(huán)境的背景下，它們都面臨著各自獨(dú)一無(wú)二的挑戰(zhàn)及考慮因素。

3   更多天線，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(jí)，但是部署過(guò)程將呈現(xiàn)出極大的多樣性，這是因?yàn)檫\(yùn)營(yíng)商會(huì)采用不同的波譜來(lái)構(gòu)建自身的網(wǎng)絡(luò)，這樣就會(huì)使傳輸距離、延遲與數(shù)據(jù)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(xiàn)無(wú)處不在的 5G覆蓋，許多種不同版本的 5G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)將會(huì)加快步調(diào)。如此一來(lái)，由于前面談到過(guò)的衰減性能，世界上的鄉(xiāng)村地區(qū)也許永遠(yuǎn)不會(huì)享受到毫米波支持的數(shù)據(jù)速率所帶來(lái)的好處，數(shù)據(jù)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(shè)備幾乎必定要整合多個(gè)天線，以便處理除了 5G 以外的3G 和 4G LTE 波形。另外，在可以預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，低功耗藍(lán)牙、IEEE 802.11 Wi-Fi 和 GPS 將繼續(xù)在 6 GHz以下的頻帶下運(yùn)行。這就是說(shuō)，在設(shè)計(jì)時(shí)選擇毫米波和 6 GHz 以下頻率的天線，并不一定是一個(gè)非此即彼的過(guò)程。因此，對(duì)于移動(dòng)設(shè)備的 OEM 來(lái)說(shuō)，決定是否要添加適合毫米波頻率的天線，在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的設(shè)計(jì)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包含在內(nèi)，那當(dāng)然會(huì)存在業(yè)績(jī)上的隱憂，因?yàn)榭赡軙?huì)影響到產(chǎn)品的銷(xiāo)售，或者，起碼會(huì)造成消費(fèi)者的混淆。

5G 中，6 GHz 以下的頻帶更加接近當(dāng)前的 4GLTE 頻率。在這類(lèi)相對(duì)較低的頻率下，天線的布局只不過(guò)是性能方程上的一個(gè)組成部分。在確定設(shè)備無(wú)線通信的整體共振性能的過(guò)程中，天線和移動(dòng)設(shè)備的內(nèi)部配置之間存在著密切的關(guān)聯(lián)?？紤]到用戶(hù)對(duì)于超薄移動(dòng)設(shè)備的偏愛(ài)，天線工程師在調(diào)整天線的設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮到物理設(shè)計(jì)、材料選擇與內(nèi)部的組件配置。或者，在毫米波的頻率下，天線和手機(jī)機(jī)體之間的交互并不太值得擔(dān)憂。相反，挑戰(zhàn)卻在天線的覆蓋層上面，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(duì)下方天線的輻射性能產(chǎn)生明顯的不利影響。此外，天線相對(duì)于設(shè)備用戶(hù)手部的布局，也會(huì)對(duì)毫米波的發(fā)射和接收產(chǎn)生影響。將定制的天線設(shè)計(jì)和獨(dú)一無(wú)二的天線布局與基于插槽的設(shè)計(jì)或頻率選擇表面 (FSS) 的設(shè)計(jì)原則結(jié)合到一起后，可以對(duì)移動(dòng)設(shè)備天線的輻射圖進(jìn)行優(yōu)化。此外，孔徑調(diào)諧和阻抗調(diào)諧之類(lèi)的天線調(diào)諧技術(shù)可以在更廣的帶寬上改善增益并延長(zhǎng)電池壽命，因?yàn)榻?jīng)過(guò)調(diào)諧的天線消耗的電流要少于未經(jīng)調(diào)諧的天線，便可以提供相同程度的發(fā)射功率。

4   建立連接：連接器對(duì)傳輸路徑的影響

除了應(yīng)對(duì)空中接口和相關(guān)天線的挑戰(zhàn)，極高頻率的 5G 信號(hào)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、電纜組件及連接器帶來(lái)進(jìn)一步的挑戰(zhàn)。千兆赫頻率下信號(hào)的傳播，使得電纜和跡線的行為有別于簡(jiǎn)單的電線，而是與傳輸線類(lèi)似。在整個(gè)傳輸線的長(zhǎng)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(shè)計(jì)期間不正確處理的話，那么傳輸線會(huì)產(chǎn)生難以排除的錯(cuò)誤。如果跡線長(zhǎng)度超過(guò)信號(hào)波長(zhǎng)的四分之一，則在設(shè)計(jì)過(guò)程中必須考慮傳輸線效應(yīng)。另外，天線效應(yīng)在這類(lèi)的長(zhǎng)度上會(huì)產(chǎn)生一定的影響，比如說(shuō)電磁干擾和串?dāng)_，也必須由設(shè)計(jì)人員妥善處理。

為了實(shí)現(xiàn)有效而又具有極高效率的毫米波系統(tǒng)，連接器也會(huì)帶來(lái)挑戰(zhàn)。組件的設(shè)計(jì)人員必須應(yīng)付對(duì)連接器的幾何形狀、尺寸及材料的選擇構(gòu)成了約束的各種要求，與此同時(shí)仍要與整條傳輸線上的特性阻抗相匹配。為了減少信號(hào)反射并實(shí)現(xiàn)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)使天線輻射的能量達(dá)到最大，盡可能為接收器生成最強(qiáng)的無(wú)線信號(hào)。與之前幾代相比，5G 連接器必須能夠應(yīng)對(duì)高得多的功率（特定情形下可能出現(xiàn) 15 安以上的瞬時(shí)電流消耗）。下一代連接器的其他設(shè)計(jì)依據(jù)包括：

1）縮短射頻端子；

2）提高屏蔽效果；

3）獨(dú)一無(wú)二的屏蔽層布置。

在 5G 連接器更為嚴(yán)格的電氣特性與機(jī)械性能、成本與制造的復(fù)雜程度之間，必須達(dá)到一種新的平衡。

●   高速連接器：在消費(fèi)級(jí)產(chǎn)品內(nèi)部，按照 5G 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的速度在一系列組件之間推送數(shù)以百萬(wàn)比特計(jì)的數(shù)據(jù)，會(huì)構(gòu)成重大的挑戰(zhàn)，即使在 3G甚至 4G 設(shè)備設(shè)計(jì)方面富有經(jīng)驗(yàn)的廠商也會(huì)遇到挑戰(zhàn)。連接器必須經(jīng)過(guò)精心的設(shè)計(jì)和制造，以使傳輸線上的阻抗變化減少到最低程度。否則，信號(hào)可能發(fā)生反射，造成性能降級(jí)。外部信號(hào)還會(huì)構(gòu)成威脅。因此，連接器必須為系統(tǒng)提供充分的保護(hù)，防止電磁干擾 (EMI) 和電容器傳感器產(chǎn)生外部信號(hào)，這一情況在更高的速度下會(huì)形成更大的挑戰(zhàn)。

●   微型連接器：5G 連接器必須容納于現(xiàn)代移動(dòng)設(shè)備提供的狹小空間當(dāng)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。盡管存在著嚴(yán)格的物理約束，5G 的電子組件仍然必須符合對(duì)電壓駐波比(VSWR) 和插入損耗 (IL) 之類(lèi)散射參數(shù)的嚴(yán)格要求。精心設(shè)計(jì)的連接器應(yīng)使信號(hào)的反射、降級(jí)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(yīng)用中使用的組件，必須符合在移動(dòng)設(shè)備中使用的嚴(yán)格電氣要求與機(jī)械要求。5G 組件必須整合到（至少?gòu)囊婚_(kāi)始）還會(huì)包含原有 3G/4G 以及 Wi-Fi硬件的設(shè)備當(dāng)中。對(duì)于消費(fèi)類(lèi)移動(dòng)設(shè)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(xiàng)包括如下。

1）低延遲、低噪聲：5G 會(huì)提供可觀的速度，但這是以更高的設(shè)計(jì)復(fù)雜程度為代價(jià)的。組件必須經(jīng)過(guò)認(rèn)真細(xì)致的設(shè)計(jì)，確保對(duì)信號(hào)完整性以及系統(tǒng)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(xiàn)所需的密度，滿(mǎn)足對(duì) 5G NR 的性能規(guī)范的要求，比如說(shuō)龐大的 MIMO 天線架構(gòu)的要求。

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

4）可制造性：5G 組件和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可能會(huì)極其復(fù)雜，但物理組件的制造工藝不得過(guò)于繁復(fù)。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(xiàn)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(yán)格要求。

5）穩(wěn)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(shè)備后出現(xiàn)的粗暴操作。

6   Molex的優(yōu)勢(shì)

在電信和數(shù)據(jù)通信行業(yè)數(shù)十年來(lái)從事創(chuàng)新以及所積累豐富經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)之上，Molex開(kāi)發(fā)了顛覆性的技術(shù)，并且引領(lǐng)連接標(biāo)準(zhǔn)的制定，從而推動(dòng)行業(yè)向前邁進(jìn)。我們已經(jīng)準(zhǔn)備就緒，可以與那些期待著將 5G移動(dòng)設(shè)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(yàn)。

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(cè)試室。Molex在產(chǎn)品設(shè)計(jì)與系統(tǒng)制造上的專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)可以使設(shè)計(jì)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(xiàn)極大的批量。

對(duì)于電信和數(shù)據(jù)通信業(yè)的 OEM 來(lái)說(shuō)，Molex是一家領(lǐng)先的供應(yīng)商，從開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)到全壽

命的系統(tǒng)支持，在高速連接和信號(hào)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(yàn)。在將射頻天線、微型連接器和信號(hào)完整性設(shè)計(jì)上的豐富知識(shí)精心結(jié)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(shè)備市場(chǎng)的這場(chǎng)競(jìng)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(nèi)部復(fù)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(shè)計(jì)上的專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)：移動(dòng)設(shè)備必須符合審美上的嚴(yán)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(shè)備之中，同時(shí)在極高的速度下運(yùn)行，這就意味著組件必須同時(shí)在機(jī)械上和在電氣上采取令人難以置信的精心設(shè)計(jì)。它們?cè)谖锢砩线€必須足夠的穩(wěn)健，從而耐受移動(dòng)設(shè)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(tǒng)及 QSFP 連接器，可提高設(shè)計(jì)上的靈活性并確保極高的操作效率。

2）天線設(shè)計(jì)上的專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)：5G 設(shè)備需要獨(dú)一無(wú)二的天線設(shè)計(jì)作業(yè)與材料，在更高一些的頻率下尤為如此。Molex內(nèi)部的設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)人員可以針對(duì)客戶(hù)的具體應(yīng)用來(lái)協(xié)助設(shè)計(jì) 5G 天線。Molex的多種天線產(chǎn)品都已經(jīng)準(zhǔn)備就緒，可隨時(shí)用于 6 GHz 以下的 5G 應(yīng)用，包括編號(hào)為 5209142、146234、207901、208485 和213523 的這些型號(hào)。

3）6 GHz 以下天線和毫米波天線的 5G 電波暗室：對(duì) 5G 功能的產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)試以確保滿(mǎn)足規(guī)范的要求，需要的設(shè)施與設(shè)備現(xiàn)在尚未普及開(kāi)來(lái)。這一情況對(duì)于毫米波硬件來(lái)說(shuō)尤其嚴(yán)重。Molex的測(cè)試設(shè)施能夠測(cè)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(yīng)的組件接受徹底的測(cè)試。這樣可以顯著降低產(chǎn)品上市發(fā)生延誤的風(fēng)險(xiǎn)。

4）高級(jí)仿真軟件：Molex將穩(wěn)健的電磁結(jié)構(gòu)解算器軟件整合到了設(shè)計(jì)流程當(dāng)中，其中包括了 Ansys的高頻結(jié)構(gòu)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(jí) MID 技術(shù)：Molex在成型互連設(shè)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(fù)雜的電氣結(jié)構(gòu)與機(jī)械結(jié)構(gòu)。相對(duì)于傳統(tǒng)上二維的制造工藝來(lái)說(shuō)，MID/LDS 技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)尺寸更小的 5G 組件，前者的兩個(gè)設(shè)計(jì)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(jī)械和易制性的要求之間實(shí)現(xiàn)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(xiàn)定制的設(shè)計(jì)。

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2020年10月期）