5G随着波长变短设备必须变小

5G设备的运行频率正在稳步提高，这推动了设备架构的小型化。

作者： Kenji Kijima，移动解决方案总监，Molex

5G基础设施的首次大规模部署始于2019年，与此同时业界也发布了展示5G功能的手机。尽管大规模推出真正的毫米波5G这一进程发展缓慢，但一些最大的无线元器件制造商已经提供支持 sub-6 GHz和毫米波接入的产品。根据预计，用户将更多地访问毫米波频谱，因此厂家将专注于推出双波段运行的部件 ，以支持低、中和高频5G网络。

当前，5G趋于采用越来越高的工作频率，以实现更高的数据速率和更低的延迟。面对更高的频率带来的设计挑战，系统设计师和产品设计师只能采用更专业的部件来应对。
在更高频率的5G系统中会发生什么？
在更高频率下运行的设备会有更大的信号损失，因此设计人员可能需要重新设计与5G信号交互的任何器件。连接器、天线、电缆和外壳都是可以与接收或发射5G 信号交互的器件。部署的4G系统中通常使用的器件和材料并不总能兼容5G基础设施和设备中采用的更高频率。

推动设计小型化的一些主要因素包括:

• 高频天线阵列需要采用更高的天线密度
• 5G连接需要更大的电池容量，因此需要更大实物尺寸的电池，这会占用设备中更多的空间，因此需要器件的小型化
• 出现射频组件的替代封装策略和材料
• 对支持 5G 的设备具有更高特性密度的需求

在这些更广泛的议题中，系统层面的小型化在哪里发生呢？

天线阵列

由于5G设备是无线的，天线显然是一个必不可少的构件。天线阵列尺寸随着频率提高而变得更小，因为它们的工作频率与尺寸成反比。这要求厂家缩小天线阵列的尺寸，因此给PCB 制造商带来电路板刻蚀方面的困难，也给封装带有天线模块和调制解调器的天线套件制造商以及元器件制造商带来封装制造困难。尺寸缩小带来了制造困难，这就为设计焊盘模式以支持所需信号带宽的连接器带来了挑战。

对于元器件制造商而言，支持毫米波的天线阵列需要更小的器件。这对系统/产品设计人员来说是有益的，因为这些器件将腾出电路板上的空间用于器件。

支持5g的手机中使用的天线阵列通常是2x2贴片天线阵列。由于这些阵列的尺寸更小， 制造商在制造用于毫米波范围的元器件时需要采取增材方法。使用更低介电常数 （DK）/更低损耗的材料可以超越制造限制。不过，最终5G/6G天线阵列将达到制造极限，因为在该极限以外无法使用标准和增材加工进行可靠制造。

板对板和软排线对板连接器

电路板与组件之间进行互连时通过现成的连接器或自定义连接器进行连接的。过去，通常用于毫米波系统的连接器与同轴电缆连接，这往往是5G频率范围内传输信号的唯一方法。手机需要尺寸更小的连接器，因为没有空间放置笨重的同轴连接器和电缆组件，因此业界采用了表面贴装软排线/对配电路板的连接器系列产品。

在手机中，软排线对板和板对板连接器具有非常小的外形尺寸，因此需要堆叠元器件或把元器件连接到柔性带状电缆上。这些薄型连接器通常需要连接功率和数字信号电路，可能还需要传输射频信号。

为了适应PCB的尺寸和相关的工作频率（数据和射频），业界不得不使用较小的板对板/软排线对板连接器。这是这方面小型化的主要驱动因素。更小的连接器则需要可确保信号完整性的更小的焊盘模式，因此在组件中将有更多的空间供元器件和电池使用。这些系统可能使用端子间距小于0.5毫米的焊盘，需要在毫米波范围内工作，但到PCB基底的信号不得出现损失。

同轴电缆和连接器

同轴电缆和连接器用于射频设备，其中外形尺寸不是主要挑战，但需要高功率处理能力，同时将弥散（自由空间损耗）和损耗降至最低。虽然标准的较大外形尺寸连接器（例如SMA连接器）可以在毫米波频率下使用宽带连接器焊盘，但在小型布局中，我们需要采用更小尺寸的连接器，这些连接器有更大特性密度并超越了尺寸限制，可以在毫米波频段工作。当现成元器件未达到外形尺寸规定指标时，可以自定义这些连接器。

5G系统中出现的另一个挑战是无源互调（PIM），它会干扰使用载波聚合式无线系统中的数据传输。 事实上，无源互调有时被称为“生锈螺栓效应”。连接器也可以是PIM的来源，载波频率附近的少量PIM足以产生降低数据传输速率的错误。

一些较小的或定制连接器可以提供较低的PIM值，该情况对于以较高频率运行的系统至 关重要。毫米波的信号损失（丢包率）增加，系统的链路效能变低，系统允许的PIM规范值也就越低。因此，为了减少发生PIM的机会，可能需要更小尺寸的连接器和电缆组件。

小型元器件的规范

手机、微型蜂窝和支持 5G 的模块中使用的小型元器件采用另一组规范，这些规范因元器件尺寸减小而变得复杂。由于需要用更小的元器件适应更高的频率，这使得这些元器件的机械设计和耐用性问题变得复杂。手机和蜂窝设备必须在恶劣的环境中和各种温度下运行，并需要永久保持正常运行，因此需要元器件符合如下环境规范要求：

• 防风雨和防水 - 暴露在环境中的元器件（特别是连接器）可能需要 IP6x 等级的防护以确保其可靠性。
• 连接器接插件的抓握力 – 抓握机制有助于防止系统中接插件受到振动或机械冲击后意外断开。
• 整合型连接器 – 体积较小的设备空间较小，很难容纳多个连接器，因此同一根电缆上的引脚中可能既包括电源引脚也包括信号引脚。

为什么 5G 设计师选择 Molex莫仕

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