Рекомендации I-PEX по проектированию изделий для работы в сетях 5G
Развертывание сетей 5G вместе с подключенными к ним устройствами потребует большего от существующих характеристик коаксиальных соединителей. Эти вложения в технологию для крупносерийного производства должны быть сбалансированы между производительностью, размером и стоимостью.
Для применения в частотах несколько гигагерц необходимость изолировать внутренние и внешние источники электромагнитных помех (EMI) является уникальной проблемой для применения 5G. Мобильный телефон 5G содержит несколько подсистем (GPS, Wi-Fi, сотовая связь до 6 ГГц и mmWave 5G), которые должны работать согласованно, чтобы минимизировать проблемы с отключением антенны и обеспечить общую функциональную совместимость. Подсистема mmWave телефона 5G также должна быть расположена рядом с чувствительным ядром процессора и пассивными антеннами. Такое размещение вызывает проблемы электромагнитной совместимости (ЭМС). Существует множество решений, позволяющих смягчить ЭМИ, но они представляют собой крупногабаритные коннекторы с сильно экранированными коаксиальными структурами. Включение устройств 5G для потребителей требует тщательного баланса производительности, размера и стоимости. Устройства 5G UE должны быть миниатюрными и обеспечивать работу устройств следующего поколения. Эта тенденция не замедляется; точно так же, как проблемы EMC не показывают признаков того, что они станут менее сложными.
Микрополосковые и полосковые миниатюрные коаксиальные разъемы в сочетании с оснасткой для заземления кабелей и управления проводами представляют собой набор прогрессивных решений для защиты от электромагнитных помех. Небольшие, экранированные и недорогие, они обеспечивают соответствие системы требованиям по ЭМИ.
Стандартные отраслевые этапы инженерного проектирования:
- достижение целевых показателей эффективности;
- использование компонентов, которые уравновешивают размер и ограничения стоимости только после достижения целевых показателей производительности.
Но есть более эффективные решения, которые помогают снизить выбросы систем EMI до приемлемых уровней.
Первый вариант выбора компонентов — это микрополосковая версия решения «плата-кабель» (см. Рисунок 1).
Он обеспечивает базовое микрокоаксиальное соединение с микрополосковой структурой печатной платы. Характеристики микрополосков могут быть приемлемыми для определенных конструкций RF и занимают только 2 металлических слоя на печатной плате, тем самым снижая стоимость и толщину печатной платы. Однако для более высоких частот он может не подавлять излучение электромагнитных помех в достаточной степени.
Если микрополосковых линий передачи недостаточно для достижения требований к ЭМП, может потребоваться трехслойная полосковая структура передачи. В этих случаях лучшим решением будет низкопрофильный высокопроизводительный полосковой ВЧ-разъем (см. Рис. 6).
В высокопроизводительных средах, где необходимо применять дополнительные меры противодействия ЭМП, может помочь добавление зажима заземления SMT (см. Рисунок 3). Зажимы обеспечивают подавление индуцированного электромагнитными помехами тока на экране кабеля, а также обеспечивают улучшенное управление прокладкой кабеля с использованием минимального пространства на печатной плате. Это оптимальный недорогой вариант, который значительно подавляет электромагнитные помехи, тем самым сводя к минимуму объем перепроектирования печатной платы.
Связанное с этим повышение эффективности экранирования за счет добавления зажимов для заземления кабеля SMT становится очевидным при сравнении рисунков 4 и 7.
Эффективность экранирования в следующих четырех случаях более подробно исследуется с помощью ANSYS HFSS 3D EM Simulation:
Вариант 1 – Требуются бюджетные характеристики электромагнитных помех, микрополосковые линии передачи
В данной линии передачи устанавливается с микрополосковым ВЧ-разъемом и моделируется в HFSS. Как видно на рис. 2, микрополосковая структура позволяет излучению выходить из волноводной структуры.
Рис. 1. Поперечное сечение микрополосковой линии передачи.
Рис. 2. Микрокоаксиальный ВЧ-разъем I-PEX MHF® 4L, прикрепленный к микрополосковой волноводной структуре, которая обладает присущими ей свойствами излучения, но все еще страдает от недостатков подавления электромагнитных помех.
Вариант 1b – ВЧ-микрополосковый разъем с дополнительным зажимом заземления SMT
С добавлением заземляющего SMT зажима излучение ЭМП локализуется в районе точки контакта и значительно уменьшается по длине микрополосковой линии (см. рис. 4). Следует также отметить, что хотя это и не обеспечивает полного экранирования, оно не требует дополнительных слоев заземления и связанных с этим затрат на новые слои в плате.
Рис. 3. Вариант моделирования электромагнитных помех 1b с использованием заземляющего зажима I-PEX® MP-A SMT для отвода токов помех от экрана микрокоаксиального кабеля к плоскости заземления печатной платы.
Рисунок 4: Вариант моделирования электромагнитных помех 1b, в котором используется заземляющий зажим I-PEX® MP-A SMT для отвода токов помех от экрана микрокоаксиального кабеля к плоскости заземления печатной платы, тем самым ограничивая область утечки электромагнитных помех.
Вариант 2. Требуются более высокие характеристики электромагнитных помех, полосковые линии передачи и РЧ полосковые разъемы.
Для надежных конструкций премиум-класса обычно используются трехслойные полосковые структуры линий передачи (см. рис. 5). Для них используется новое решение для штампованных соединителей (см. рис. 7). Сигнальный проводник полностью заключен в границы, определяемые заземляющими слоями, по обеим сторонам сигнального слоя, что обеспечивает наилучшее экранирование в конструкции печатной платы.
Рисунок 5: Полосковая линия (3 слоя) в поперечном сечении.
Рис. 6: Микрокоаксиальный ВЧ-разъем I-PEX MHF® 7S и кабель, прикрепленный к полосковой передающей структуре, допускают очень малые уровни утечки электромагнитных помех на верхний слой заземления печатной платы.
Для чрезвычайно чувствительных систем, которые требуют высочайших характеристик подавления электромагнитных помех, добавление заземляющего зажима для поверхностного монтажа еще больше повышает эффективность защищенного от радиочастотного излучения разъема для подключения полосковой линии к микрокоаксиальному разъему (см. рис. 7).
Рис. 7. Наивысший уровень подавления электромагнитных помех достигается за счет запираемого ВЧ-разъема полосковой линии в дополнение к заземляющему зажиму поверхностного монтажа.
Заключение
Последовательное повышение эффективности экранирования от электромагнитных помех может быть достигнуто за счет использования:
- Микрополосковый коаксиальный ВЧ-разъем (см. рис. 2).
- Микрополосковый коаксиальный ВЧ-разъем + зажим заземления кабеля SMT (см. рис. 4)
- Полосковый коаксиальный ВЧ-разъем (см. рис. 6).
- Полосковый коаксиальный ВЧ-разъем + зажим заземления кабеля SMT (см. рис. 7).
С внедрением устройств 5G мы наблюдаем увеличение требований к производительности для технологии размещения разъемов. Ниша решений для штампованных разъемов отвечает требованиям, предъявляемым 5G: производительность, пространство и стоимость. Эта эволюция технологий вдохновит на новые решения, предлагаемые 5G сейчас и в обозримом будущем.
Отличные характеристики электромагнитной совместимости с полностью экранированным ВЧ-разъемом MHF® 7S от I-PEX
Автор
I-PEX
Перевод
Андрей Ковригин
Макро Групп является официальным дистрибьютором I-PEX в России и части стран СНГ. Для заказа образцов, регистрации проектов и получения технической поддержки, направьте запрос через форму «Задать вопрос» на нашем сайте или позвоните 8 (800) 333-06-05 доб. 779.
