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5G移動技術：更多的設備，更高的速度和移動性

（2024年11月23日更新）

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1 5G 的工作環境

3GPP 在設備和蜂窩之間 5G 空中接口定義為新空口 (NR)。5G 頻率分布分為兩個主導頻帶，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，研發也在努力實現頻率 100 GHz 而且更高，甚至可以實現更高的速度。從電子設計的角度來看，這是波譜的一大部分，其中 5G 在頻率范圍的上下限之間有非常不同的信號特征。這一事實迫使工程師在設計過程的早期階段考慮產品支持的頻率，因為這一決定將對后期開發階段的許多方面產生影響，我們很快就會在這本白皮書中理解。

第一頻帶，也叫 FR1進一步分為低波段(600~700) MHz）和中波段(2.5~3.7) GHz）。在電磁波譜中，FR1 頻帶已經是非常擁擠的部分了。3G/4G蜂窩移動電話臺不在 6 GHz 只有設備在以下波譜中工作。這些頻率也充斥著 Wi-Fi、全球定位系統 (GPS)、藍牙和 Zigbee 通信信號。其他非通信設備，如微波爐，也在這個頻率范圍內運行，會產生很大的電磁噪聲。6 GHz 以下是大量的電磁活動，再加上對更高數據速率的需求，有必要轉向更高的電磁波譜頻率。

第2頻帶，即 FR二、含范圍從 (24~39) GHz 的毫米波長 (mmWave) 頻率。簡而言之，mmWave 頻率的優點是頻率越高，數據速率越快。類似于低波段頻率 4G 的、(25 ~200) Mbps 和 FR2 可以提供頻帶 20 Gbps 下行鏈路。從物理的角度來看，毫米波的波長約為 1 cm~1 mm，相關頻率范圍約為 (30~300) GHz。

速度的提高必須伴隨著一定的成本。首先，這些頻率在視線中傳播 (LOS) 受到很大限制。在一定距離內，頻率越高，衰減速度越快，因此傳播不夠遠（稱為路徑損失），穿透建筑物和茂密植被要困難得多。為了補償這種損失，需要在城市環境中部署更多的蜂窩基站，尤其是這樣。現實情況下，有各種蜂窩配置來應對毫米波頻率。范圍從幾十米左右可操作十幾臺設備的微蜂窩延伸到幾百米內可操作幾百臺設備的城市站。

2 設計和工程考慮

5G 這是無線通信性能的巨大提高。這種性能的提高確實是以更高的復雜性和工程設計中獨特的挑戰為代價的。相關挑戰還包括以下幾個方面：

1)信號傳輸；

2)電源管理和熱管理；

3)天線模塊的布局和尺寸；

4)高頻設備中的信號。

首先，移動設備和基站需要密切協調。G NR 在很大程度上，它依賴于多輸入和多輸出 (MIMO) 相控陣天線架構實現波束賦形、波束指向和波束跟蹤功能。這最終可以在每個端點之間大規模實現最大數據速率。然而，大規模 MIMO 架構需要密集的天線配置，這挑戰了電子組件的性能。

在較高的頻率下，天線單元之間的物理距離非常小。另外，更多 5G 組件和更高的頻率也意味著需要為通信子系統分配更多的功率預算。在這種環境下，提供毫米波的射頻功率并消耗相應的熱量將是非常具有挑戰性的，需要創新系統設計和材料選擇。例如，基于第四代氮化鎵的轉換 (GaN) 場效晶體管具有較高的功率密度，實現了巨大的功率密度 MIMO 包裝結構所需，尺寸較小。其他能顯著影響移動設備的設備 5G NR 性能的關鍵組件包括天線和連接器。在 5G 在運行環境的背景下，它們都面臨著自己獨特的挑戰和考慮因素。

3 天線多，空間少

從技術的角度來看，5G 它代表了革命性的升級，但部署過程將非常多樣化，因為運營商將使用不同的波譜來構建自己的網絡，這將使傳輸距離、延遲和數據攜帶能力有很大的差異。雖然實現無處不在需要幾年的時間 5G覆蓋，不同版本的種類很多 5G 網絡建設將加快步伐。這樣，由于上述衰減性能，世界農村地區可能永遠不會享受毫米波支持的數據速率的好處，數據速率可能只會獲得 6 GHz 以下頻率提供支持，因此 5G 網絡也會有和 4G LTE 類似的下載能力(速度和延遲)。

此外，從 4G 到 5G 在過渡過程中發布的移動設備幾乎必須集成多個天線，以便處理 5G 以外的3G 和 4G LTE 波形。此外，在可預見的未來，低功耗藍牙，IEEE 802.11 Wi-Fi 和 GPS 將繼續在 6 GHz在以下頻帶下運行。也就是說，在設計中選擇毫米波和 6 GHz 以下頻率的天線不一定是一個非此即彼的過程。因此，移動設備 OEM 在產品開發的設計階段和工程階段，決定是否添加適合毫米波頻率的天線會產生一定的影響。如果你選擇不包括毫米波天線，當然會有業績擔憂，因為它可能會影響產品的銷售，或者至少會引起消費者的混淆。

5G 中，6 GHz 以下頻帶更接近當前頻帶 4GLTE 頻率。在這種相對較低的頻率下，天線的布局只是性能方程的一部分。在確定設備無線通信整體共振性能的過程中，天線與移動設備內部配置密切相關。考慮到用戶對超薄移動設備的偏好，天線工程師必須考慮物理設計、材料選擇和內部組件配置。或者，在毫米波的頻率下，天線和手機機體之間的不值得擔心。相反，挑戰在于天線的覆蓋層。無論覆蓋層材料是金屬、玻璃甚至塑料，它們在電氣上都不輕，甚至對下方天線的輻射性能產生明顯的不利影響。此外，與設備用戶手的布局相比，天線也會影響毫米波的發射和接收。根據插槽設計或頻率選擇定制的天線設計和獨特的天線布局 (FSS) 結合設計原則后，可以優化移動設備天線的輻射圖。此外，孔徑調諧、阻抗調諧等天線調諧技術可以改善帶寬增益，延長電池壽命，因為調諧天線消耗的電流低于未調諧天線，可以提供相同程度的發射功率RICOH代理。

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天線的挑戰外，高頻率 5G 信號還將是單晶微波積體電路 (MMIC)、進一步挑戰芯片到包裝的互連、電路板痕跡、電纜組件和連接器。信號在千兆赫頻率下的傳使電纜和痕跡行為與簡單的電線不同，但與傳輸線相似。在整個傳輸線的長度上，電流和電壓的幅度和相位都會發生變化。若在設計過程中處理不當，則傳輸線會產生難以排除的錯誤。傳輸線效應必須在設計過程中考慮，如果線長超過信號波長的四分之一。此外，天線效應會對這種長度產生一定的影響，如電磁干擾和串擾，也必須由設計師妥善處理。

連接器還將挑戰有效、高效的毫米波系統。組件的設計人員必須滿足連接器的幾何形狀、尺寸和材料的選擇，并與整個傳輸線路的特性阻抗相匹配。阻抗匹配對減少信號反射，實現最大功率輸送至關重要。另一方面，天線輻射的能量將最大化，接收器將產生最強的無線信號。與前幾代相比，5G 連接器必須能夠處理更高的功率特定情況下可能發生） 15 安以上瞬時電流消耗)。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)屏蔽層布置獨特。

在 5G 電氣特性與機械性能、成本與制造的復雜性之間必須達到新的平衡。

● 高速連接器：在消費級產品內部 5G 即使在一系列組件之間推送數以百萬計的數據，標準規定的速度也會構成重大挑戰 3G甚至 4G 有經驗的設備設計制造商也將面臨挑戰。連接器必須精心設計和制造，以盡量減少傳輸線上的阻抗變化。否則，信號可能會反射，導致性能降級。外部信號也構成威脅。因此，連接器必須充分保護系統，防止電磁干擾 (EMI) 在更高的速度下，與電容器傳感器產生外部信號會帶來更大的挑戰。

● 微型連接器：5G 連接器必須容納在現代移動設備提供的狹小空間中。堆疊式連接器可用于填充緊密柔性和剛性電路板。雖然有嚴格的物理約束，但5G 電子組件仍然必須符合電壓駐波比(VSWR) 和插入損耗 (IL) 嚴格要求散射參數。精心設計的連接器應盡量減少信號的反射、降級和失真，同時減少其物理體積。還必須配備足夠的屏蔽措施來有效地減少連接器和相關線束 EMI；毫米波的頻率更為關鍵。

5 明日的 5G 組件，今天的情況

5G 在移動設備中使用的組件必須滿足嚴格的電氣和機械要求。G 組件必須集成到(至少從一開始)，并包含原始組件 3G/4G 以及 Wi-Fi在硬件設備中。這將是消費移動設備首次使用毫米波頻率。G 組件選擇過程中的其他考慮因素如下。

1)低延遲、低噪聲:5G 它將提供相當大的速度，但以更高的設計復雜性為代價。組件必須仔細設計，以確保只會對信號完整性和系統的整體性能產生很小的影響，或根本不會產生影響。

2)高密度:組件必須體積小，能效高，以達到所需的密度，滿足要求 5G NR 性能規范的要求，如巨大的 MIMO 要求天線架構。

3)成本效益：5G 組件提出了嚴格的要求，但預計它們將嵌入到所有產品中。這意味著組件的成本必須保持在相對較低的水平，并提供與當前相比 4G 性能高于技術。

4)可制造性:5G 組件和系統的設計可能非常復雜，但物理組件的制造過程不應過于復雜。G 制造工具和制造技術必須在低成本條件下實現良好的產量，同時也要滿足物理和電氣性能特性的嚴格要求。

5）穩健性：5G 組件將無處不在。因此，由于各種環境條件和不同的用例，組件必須能夠承受嵌入移動設備后的粗糙操作。

6 Molex的優勢

基于電信和數據通信行業幾十年的創新和豐富的經驗，Molex開發顛覆性技術，引領連接標準的制定，推動行業前進。我們已經準備好了，我們可以期待它 5G引入市場的移動設備參與者合作并分享Molex專家經驗。

Molex在 5G 全力投入研發，采用更新穎、更頻繁的測試室。Molex在產品設計和系統制造方面的專家經驗可以使設計師創造適合批量生產的專家經驗 5G 產品。Molex毫米波連接器具有很高的成本效益，在生產過程中可以實現大批量。

對于電信和數據通信行業 OEM 來說，Molex是從開發生產到全壽的領先供應商

生命的系統支持在高速連接、信號完整性管理和射頻技術領域發展了豐富的專家經驗。在精心結合了豐富的射頻天線、微連接器和信號完整性設計知識后，Molex為行業領先創造各種創新解決方案 5G 毫米波技術企業大力提供支持。

在進入 5G 在移動設備市場的競爭中，與Molex合作可以幫助我們 OEM 客戶一臂之力。除了廣泛的產品線和專業員工，我們提供的能力和服務無法在企業內部復制。即使有可能，也極其昂貴和困難。我們的一些突出能力包括:

1)高速微型連接器設計專家經驗：移動設備必須滿足最小產品物理尺寸（如厚度、質量）等嚴格的審美要求。將越來越多的功能插入移動設備并以極高的速度運行，這意味著組件必須同時在機械和電氣上精心設計。它們在物理上必須足夠穩定，以承受移動設備每天遇到的粗糙操作。Molex提供包括鏡像夾層連接器(2)在內的一系列各種連接器.2~5) GHz 射頻連接器系統及 QSFP 連接器可以提高設計的靈活性，保證極高的操作效率。

2)天線設計專家經驗:5G 在更高的頻率下，設備需要獨特的天線設計操作和材料。Molex內部設計專業人員可以協助設計客戶的具體應用 5G 天線。Molex各種天線產品已準備就緒，可隨時使用 6 GHz 以下的 5G 應用程序，包括編號 5209142、146234、207901、208485 和213523 這些型號。

3）6 GHz 以下天線和毫米波天線 5G 電波暗室：是的 5G 測試功能性產品，確保符合規范要求，所需設施設備尚未普及。毫米波硬件尤其嚴重。Molex低波段、中波段試低波段、中波段和毫米波 5G 頻帶。在產品開發過程中Molex可以給予合作 OEM 在產品發布前，產品和相應的組件可以充分自信地進行徹底的測試。這可以顯著降低產品上市延誤的風險。

4)高級仿真軟件：Molex將穩定的電磁結構解算器軟件集成到設計過程中，包括 Ansys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， CST 它提供多種解算器，可以在時域和頻域下工作。

5）高級 MID 技術：Molex成型互連設備/激光直接成型 (MID/LDS) 大力投入技術，使各種復雜的電氣結構和機械結構能夠緊密集成在三維中。與傳統的二維制造工藝相比，MID/LDS 該技術可以實現更小的尺寸 5G 前者的兩個設計域組件幾乎沒有集成。

6）5G 我們可以幫助制造能力 OEM，在 5G 實現電氣和射頻要求與機械和易制性要求之間的良好平衡。我們有世界級的制造能力OEM 快速實現定制設計。

(本文來源《IC2020年10月代理雜志