Od czasu promocji w 2018 r. protokół komunikacji komórkowej o częstotliwości radiowej (RF) piątej generacji (5G) obiecał osiągnąć o rząd wielkości poprawę w sposobie, w jaki indywidualni użytkownicy, maszyny przemysłowe i serwery przetwarzania w chmurze wysyłają i odbierają dane. Aby spełnić wymagania Międzynarodowej Telekomunikacji Mobilnej-2020 (IMT-2020), w ramach projektu partnerstwa trzeciej generacji (3GPP) opracowano standard 5G, który określa szybkość transmisji danych na poziomie 10 Gb/s, czyli od 10 do 100 razy większą niż poprzednie standardy 4G. W porównaniu z protokołem 4G LTE, standard ten wymaga również 1000-krotnego zwiększenia przepustowości na jednostkę powierzchni, aby umożliwić maksymalnie 100-krotne zwiększenie liczby urządzeń podłączonych w danym obszarze. Jednocześnie organizacja kładzie nacisk na osiągnięcie 99,999% dostępności sieci przy jednoczesnym zmniejszeniu zużycia energii przez stacje bazowe i podłączone urządzenia.
Do połowy 2025 r. na całym świecie będzie dostępnych ponad 2,25 miliarda połączeń 5G, z czego ponad 182 miliony w Ameryce Północnej. Teraz architekci sieci zwrócili uwagę na urządzenia autonomiczne (SA), które obsługują wyłącznie częstotliwości i protokoły 5G, mogą osiągać większe prędkości wysyłania i pobierania oraz obsługują zaawansowany przemysłowy Internet rzeczy (IIoT) i komunikację maszyna-maszyna (M2M), z opóźnieniem sieciowym wynoszącym zaledwie 1 ms.
Rozwój nowych urządzeń do budowy infrastruktury 5G pobudził popyt na różnorodne komponenty elektroniczne, w tym na wszechobecne kondensatory. W zastosowaniach 5G kondensatory to wszechstronne urządzenia, które mogą filtrować niepożądane częstotliwości i eliminować zakłócenia częstotliwości radiowych, łączyć się z cewkami indukcyjnymi w celu regulacji anten, odsprzęgać szyny zasilające w celu stabilizacji poziomów napięcia i równoważyć połączenia antenowe. Projektując urządzenia 5G i komórkowe stacje bazowe, inżynierowie muszą wybrać odpowiednie kondensatory, aby spełnić specyficzne wymagania dotyczące wydajności, rozmiaru i kosztów każdego zastosowania.
Kondensatory do zastosowań antenowych 5G
Anteny infrastruktury 5G obsługują trzy pasma częstotliwości w regionach o wyższej częstotliwości radiowej: pasmo niskiej częstotliwości poniżej 2 GHz, pasmo średniej częstotliwości od 2 GHz do 6 GHz oraz pasmo wysokiej częstotliwości od 24 GHz do 100 GHz. Łącząc wielowarstwowe kondensatory ceramiczne (MLCC) z cewkami indukcyjnymi w celu utworzenia oscylatora antenowego, możliwe jest dostrojenie do określonych częstotliwości radiowych. Kondensatory infrastruktury 5G muszą być w stanie obsłużyć wyższe częstotliwości protokołu (rysunek 1).
Zastosowanie MLCC w dziedzinie komunikacji RF
Rysunek 1: MLCC jest szeroko stosowany w komunikacji RF. Inżynierowie muszą starannie dobierać kondensatory, aby wytrzymać wyższe prądy RF w infrastrukturze 5G. (Źródło obrazu: firma KEMET)
Jednymi z nich są kondensatory serii HiQ CBR firmy KEMET (rysunek 2). Pojemność tej serii kondensatorów waha się od 0,1 pF do 100 pF i może pracować przez długi czas w zakresie częstotliwości od 1 MHz do 50 GHz bez przegrzania lub utraty charakterystyki pojemnościowej. Dzięki zastosowaniu dielektryka klasy I kondensatory HiQ CBR mogą pracować w zakresie temperatur od -55°C do +125°C przy zmianie pojemności mniejszej niż ± 30 ppm/°C. W zakresie napięcia stałego od 6,3 V do 500 V kondensator ten może również zachować bardzo stabilną pracę bez starzenia.
Kondensator KEMET HiQ CBR
Rysunek 2: Kondensatory HiQ CBR to kondensatory MLCC przeznaczone do wyższych częstotliwości stosowanych w infrastrukturze 5G. To urządzenie do montażu powierzchniowego (SMD) wykorzystuje dielektryk ceramiczny klasy I w połączeniu z przewodnikami z metalu nieszlachetnego i jest wyposażone w zaślepki końcowe pokryte matową cyną. (Źródło obrazu: Korporacja KEMET)
Kondensatory HiQ CBR składają się z wielu warstw elektrod z metalu nieszlachetnego (rysunek 3). Materiałem elektrody jest miedź, a każda warstwa elektrody jest oddzielona i osadzona w materiale ceramicznym. Materiał ceramiczny to dielektryk CaZrO3 klasy I C0G. Metalowa zaślepka służy jako część złącza elektrycznego elektrody, co ułatwia lutowanie urządzenia do montażu powierzchniowego (SMD) na płytce drukowanej (PCB).
Wewnętrzna warstwa elektrody MLCC osadzona w dielektryku ceramicznym
Rysunek 3: Wewnętrzna warstwa elektrod MLCC (takich jak produkty serii HiQ CBR) jest osadzona w ceramicznym dielektryku, z metalowymi połączeniami na zaślepkach końcowych. (Źródło obrazu: Korporacja KEMET)
Dzięki swojemu materiałowi i strukturze kondensatory HiQ CBR charakteryzują się niskimi stratami, reprezentowanymi przez współczynnik jakości Q, który jest odwrotnością współczynnika rozproszenia (DF). Podczas testowania kondensatorów HiQ CBR o wartości pojemności 30 pF lub wyższej w warunkach 1 MHz ± 100 kHz i 1,0 ± 0,2 VRMS, ich wartość Q jest większa lub równa 1000. W przypadku kondensatorów o niższych wartościach pojemności z tej serii produktów, Q = 400 + 20C, gdzie C jest wartością pojemności.
Projektując produkty elektroniczne do zastosowań RF o wysokiej częstotliwości, inżynierowie szukają również kondensatorów o niskiej zastępczej rezystancji szeregowej (ESR) i niskiej zastępczej indukcyjności szeregowej (ESL), które mogą pomóc w uzyskaniu wysokiej częstotliwości rezonansowej własnej (SRF). SRF to częstotliwość, przy której kondensator rezonuje, powodując utratę pojemności i działanie jak cewka indukcyjna, dlatego SRF musi być znacznie wyższy niż częstotliwość robocza. Zakres SRF kondensatorów HiQ CBR wynosi od 600 MHz (kondensatory 100 pF) do 12000 MHz (kondensatory 0,1 pF).
Zaślepki końcowe kondensatorów HiQ CBR są pokryte matową cyną i można je przylutować do standardowych płytek drukowanych. Ten typ kondensatorów ma typowe rozmiary obudów, w tym 0201 (0,2 „x 0,1”), 0402 (0,4 „x 0,2”), 0603 (0,6 „x 0,3”) i 0805 (0,8 „x 0,5”). Urządzenia te przeszły certyfikację bezołowiową i są zgodne z przepisami RoHS.
Dzięki unikalnym właściwościom użytkowym i wymiarom zewnętrznym kondensatory serii HiQ CBR odgrywają dobrą rolę w komórkowych stacjach bazowych 5G, sieciach komunikacyjnych, wzmacniaczach mocy RF (PA), bezprzewodowych sieciach lokalnych (LAN), sieciach globalnego systemu pozycjonowania (GPS) i komunikacji Bluetooth. Ta seria kondensatorów może być również używana do przetwarzania sygnału, takiego jak blokowanie prądu stałego, filtrowanie, dopasowywanie impedancji, sprzęganie i obejście.
Aby zredukować zakłócenia i szumy sygnału, projektanci mogą dodać podobny materiał KEMET FLEX SUPPRESSOR ® Ten materiał kompozytowy polimerowo-metalowy w kształcie arkusza lub rolki (rysunek 4) zawiera cząstki magnetyczne wielkości mikrometra rozproszone w elastycznym podłożu polimerowym w celu tłumienia fal elektromagnetycznych lub rezonansów, poprawy zbieżności strumienia magnetycznego lub zmniejszenia hałasu generowanego przez urządzenia elektroniczne w zakresie częstotliwości 5G od 3 GHz do 40 GHz.