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5G-Standard läutet neue Ära ein

5G als neueste Generation der Mobilfunktechnik setzt sich immer stärker durch. Es gilt jetzt, die 5G-Kommunikationsinfrastruktur aktiv voranzutreiben. Mobilfunkbetreiber arbeiten verstärkt an der Implementierung der Infrastruktur. Erste Marketing-Initiativen wurden gestartet, um den Nutzern ein Upgrade der Smartphone-Verträge und Mobilgeräte schmackhaft und die deutlich verbesserten Datenraten nutzbar zu machen. Anders als beim Wechsel von 3G zu 4G handelt es sich bei der Kommunikationsarchitektur von 5G nicht um ein iteratives Upgrade. 5G umfasst zusätzlich zur Koexistenz von Multifunkkommunikationsnetzwerken in den lizenzierten und lizenzfreien Sub-6-GHz-Bändern das neue Millimeterwellen-Frequenzspektrum von 24 GHz bis 40 GHz (mmWave).

mmWave macht 5G mobil

Die deutlich höheren 5G-Datenraten – die Prognose liegt bei mindestens der vierfachen Geschwindigkeit im Vergleich zu 4G – können nur mithilfe des bandbreitenstarken mmWave-Spektrums erreicht werden. Die Nutzung dieser signifikant höheren Frequenzen bringt jedoch einige technische und operative Herausforderungen für die Entwickler mit sich. Zu berücksichtigen ist dabei vor allem die Tatsache, dass bei steigender Frequenz die maximal mögliche Reichweite eines Signals abnimmt – ein Phänomen, das auf erhöhte Übertragungsverluste zurückzuführen ist. Dies ist einer der Gründe dafür, dass die Implementierung von mmWave-5G mehr Basisstationen erfordert als 4G. 5G mmWave kann kommerziell nur dann erfolgreich werden, wenn eine optimale Anzahl an Basisstationen eingesetzt wird, dabei aber sichergestellt ist, dass Mobilgeräte ein ausreichend starkes Signal erhalten. Aus diesem Grund entschieden sich HF-Ingenieure für die Implementierung einer Strahlformung der mmWave-Signale. Für die Entwicklung massiver MIMO-Antennen mit jeweils mehreren Ein- und Ausgängen bedeutet die höhere Frequenz deutlich kleinere Transceiver-Elemente als bei 4G. Diese kleineren Elemente sorgen wiederum dafür, dass die vielfältigen für eine Strahlformungsanordnung benötigten mmWave-Antennenelemente physikalisch klein sind. Strahlenformung – oder auch Strahlführung – nutzt eine Kombination aus analogen Phasenschiebern und digitalen Steuerungstechniken und konzentriert so die Ausgangsleistung zur Erreichung des maximalen Signal-Rausch-Verhältnisses und der bestmöglichen Bitfehlerraten für jeden einzelnen Signalpfad auf eine einzige Strahlungskeule.

Herausforderungen bei der mmWave-Verbindung

In Hinblick auf die Gestaltung der Infrastrukturkomponenten ist einer der Aspekte bei der mmWave-HF-Entwicklung die Tatsache, dass für Frequenzen im Bereich von 30 GHz und höher die für das Leiterplatten-Substrat eines Produkts verwendeten Materialien Signalverluste und unerwünschte Übertragungseinflüsse verursachen können. Idealerweise sollte die Dielektrizitätskonstante (DK) niedrig sein. Aus diesem Grund setzt die Branche dünnere Leiterplatten und unübliche Substrat-Materialien wie Polytetrafluorethylen (PTFE)-Laminat ein. Für die Koaxialverbindung zwischen den Leiterbahnen auf einem Board und der Antenne wurden üblicherweise lötfreie Kompressions-Anschlüsse genutzt. Mit zunehmenden Frequenzen sowie dünner und weicher werdenden Substraten kann jedoch die Druckkraft auf die Leiterplatte das Substrat verdichten und einen kapazitiven Effekt auslösen, der zu Reflexionen führen kann, was im Gegenzug das Stehwellenverhältnis (VSWR) negativ beeinflusst und so eine schlechtere Verbindungsqualität sowie eine Senkung der Sender-Effizienz verursachen kann.

Eine Lösung von Amphenol SV

Die  LiteTouch-Serie lötfreier PCB-Steckverbinder von Amphenol SV Microwave nutzt einen Aufbau mit abgerundeten Perlen-Federkontaktstiften, um die Übertragung von Drehmomenten auf die Hauptbaugruppe zu minimieren (Abbildung 1).

Abbildung 1: Auf der linken Seite ist der herkömmliche lötfreie Druckkraftanschluss zu sehen, der die Verformung des PCB-Substrats zeigt. Auf der rechten Seite ist der lötfreie LiteTouch-Anschluss von Amphenol SV Microwave zu sehen, der keine Verformung oder Druckkraft auf die Leiterplatte ausübt. (Quelle: Amphenol SV Microwave)

Die LiteTouch-Serie mit Schraubmontage wurde für die folgenden Anschlüsse konzipiert: 2,92 mm, 2,4 mm und 1,85 mm. Eine SMA-Version ist ebenfalls verfügbar. Der 2,92-mm-Anschluss wurde für eine 50-Ohm-Impedanz entwickelt und ist auf bis zu 40 GHz ausgelegt. Der 2,4-mm-Anschluss ist auf bis zu 50 GHz und der 1,85-mm-Anschluss auf eine maximale Frequenz von 67 GHz ausgelegt. Der SMA-Anschluss eignet sich für den Einsatz bei bis zu 26,5 GHz. Zusätzlich zur platinenmontierten Version ist auch eine PCB Edge Launch-Serie verfügbar.

Abbildung 2 zeigt die möglichen Auswirkungen auf VSWR-Reflexionen unter Verwendung eines Standardkompressionsanschlusses bei mehr als 30 GHz – siehe rote Kurve. Die blaue Kurve zeigt im Vergleich einen minimalen Reflexionsanstieg unter Verwendung des LiteTouch-Anschlusses von Amphenol SV Microwave.

Abbildung 2: VWSR-/Frequenz-Vergleich von Standardkompressionsverbindung und LiteTouch-Anschluss von 0 GHz bis 40 GHz. (Quelle: Amphenol SV Microwave)

Zusätzlich zur Nutzung in 5G-Infrastrukturkomponenten wie Antennen, Frontend-Modulen und Strahlformern können Entwickler die Amphenol SV Microwave LiteTouch-Anschlussserie für allerlei HF- und digitalen Hochgeschwindigkeitstest- und Messkomponenten, HF-Paletten sowie Entwicklungs- und Prototyping-Boards nutzen.

Mehr erfahren

Erfahren Sie mehr über die LiteTouch-Anschlussserie: https://www.mouser.de/new/sv-microwave/amphenol-sv-microwave-litetouch/.