1   5G 的工作環(huán)境

3GPP 將設備和蜂窩之間的 5G 空中接口定義為新空口 (NR)。5G 的頻率分配劃分成了2個支配性的頻帶，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(fā)方面也正在努力，使頻率達到 100 GHz 及更高，甚至可以實現更高的速度。從電子設計的角度來看，這是波譜中非常大的一部分，其中 5G 頻率范圍的上下限之間存在著極其不同的信號特征。這一事實將迫使工程師們在設計過程的早期就要考慮產品將支持哪些頻率，因為這個決定將會對后期開發(fā)階段中的許多方面產生影響，我們在本白皮書中很快就會了解到這一點。

第1頻帶，也稱為 FR1，可以進一步劃分成低波段(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蜂窩式移動電話臺并不是在 6 GHz 以下的波譜中工作的僅有設備。這些頻率里也充斥著 Wi-Fi、全球定位系統(tǒng) (GPS)、藍牙和 Zigbee 的通信信號。微波爐之類其他的非通信設備也在這一頻率范圍內運行，會產生極大的電磁噪聲。6 GHz 以下充斥著大量的電磁活動，再加上對更高數據速率的需求，就促成了轉向更高電磁波譜頻率的必要性。

第2頻帶，即 FR2，含有范圍從 (24~39) GHz 的毫米波長 (mmWave) 頻率。簡而言之，mmWave 頻率的優(yōu)勢在于頻率越高，數據速率就越快。低波段頻率可提供類似于 4G 的、(25 ~200) Mbps 的下載速度，而 FR2 頻帶則可能提供 20 Gbps 的下行鏈路。從物理的角度說，毫米波的波長約為 1 cm~1 mm，與之相關的頻率范圍約在 (30~300) GHz。

速度的提升必然要伴隨著一定的代價。首先，這些頻率的傳播在視線 (LOS) 上要受到很大的限制。在一定的距離上，頻率越高，衰減的也就越快，因此并不會傳播的足夠遠（稱為路徑損耗），并且穿透建筑物和茂密植被也要困難得多。為了對這類損耗做出補償，需要部署更多的蜂窩基站，在城市環(huán)境中尤其是這樣。目前存在著形形色色的蜂窩配置來應對現實情況下的毫米波頻率。范圍從可在數十米距離上操作約十幾臺設備的毫微微蜂窩，一直延伸到在數百米內操作幾百臺設備的城市站。

2   設計和工程上的考慮事項

5G 是無線通信性能上的一次巨大改進。這種性能的提升的確是以更高的復雜程度以及工程設計上獨一無二的挑戰(zhàn)為代價的。有關的挑戰(zhàn)還特別包括了以下方面：

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）高頻設備內信號。

首先，移動設備和基站之間將需要密切的協(xié)調。5G NR 在很大程度上依靠多輸入多輸出 (MIMO) 相控陣天線架構來實現波束賦形、波束指向和波束跟蹤功能。這樣最終可以大規(guī)模地在各端點之間達到最大的數據速率。然而，大型 MIMO 架構需要密集的天線配置，這就對電子組件的性能構成了挑戰(zhàn)。

在更高的頻率下，天線單元之間保持的物理距離極小。此外，更多的 5G 組件和更高的頻率也意味著需要為通信子系統(tǒng)分配更多的功率預算。在這樣的環(huán)境下提供毫米波的射頻功率并耗散掉相應產生的熱量會極具挑戰(zhàn)性，需要在系統(tǒng)設計和材料的選擇上有所創(chuàng)新。例如，轉為使用基于第4代氮化鎵 (GaN) 的場效晶體管，功率密度更高，從而實現龐大的 MIMO 架構所需的、尺寸更小的封裝。其他可以顯著影響到移動設備中 5G NR 性能的關鍵性組件包括天線和連接器。在 5G 運行環(huán)境的背景下，它們都面臨著各自獨一無二的挑戰(zhàn)及考慮因素。

3   更多天線，更少空間

從技術的角度來看，5G 代表了一次革命性的升級，但是部署過程將呈現出極大的多樣性，這是因為運營商會采用不同的波譜來構建自身的網絡，這樣就會使傳輸距離、延遲與數據攜帶能力上存在巨大的差異。盡管要花好幾年的時間才能實現無處不在的 5G覆蓋，許多種不同版本的 5G 網絡建設將會加快步調。如此一來，由于前面談到過的衰減性能，世界上的鄉(xiāng)村地區(qū)也許永遠不會享受到毫米波支持的數據速率所帶來的好處，數據速率很可能只會獲得 6 GHz 以下頻率提供的支持，因而他們的 5G 網絡也將會具有與 4G LTE 類似的下載能力（速度和延遲）。

此外，從 4G 到 5G 的過渡期間發(fā)布的移動設備幾乎必定要整合多個天線，以便處理除了 5G 以外的3G 和 4G LTE 波形。另外，在可以預見的未來，低功耗藍牙、IEEE 802.11 Wi-Fi 和 GPS 將繼續(xù)在 6 GHz以下的頻帶下運行。這就是說，在設計時選擇毫米波和 6 GHz 以下頻率的天線，并不一定是一個非此即彼的過程。因此，對于移動設備的 OEM 來說，決定是否要添加適合毫米波頻率的天線，在產品開發(fā)的設計階段和工程階段將產生一定的影響。如果選擇不將毫米波天線包含在內，那當然會存在業(yè)績上的隱憂，因為可能會影響到產品的銷售，或者，起碼會造成消費者的混淆。

5G 中，6 GHz 以下的頻帶更加接近當前的 4GLTE 頻率。在這類相對較低的頻率下，天線的布局只不過是性能方程上的一個組成部分。在確定設備無線通信的整體共振性能的過程中，天線和移動設備的內部配置之間存在著密切的關聯?？紤]到用戶對于超薄移動設備的偏愛，天線工程師在調整天線的設計時，必須考慮到物理設計、材料選擇與內部的組件配置?；蛘撸诤撩撞ǖ念l率下，天線和手機機體之間的交互并不太值得擔憂。相反，挑戰(zhàn)卻在天線的覆蓋層上面，無論覆蓋層材料是金屬、玻璃、甚至是塑料，在電氣上都并不輕薄，甚至還會對下方天線的輻射性能產生明顯的不利影響。此外，天線相對于設備用戶手部的布局，也會對毫米波的發(fā)射和接收產生影響。將定制的天線設計和獨一無二的天線布局與基于插槽的設計或頻率選擇表面 (FSS) 的設計原則結合到一起后，可以對移動設備天線的輻射圖進行優(yōu)化。此外，孔徑調諧和阻抗調諧之類的天線調諧技術可以在更廣的帶寬上改善增益并延長電池壽命，因為經過調諧的天線消耗的電流要少于未經調諧的天線，便可以提供相同程度的發(fā)射功率。

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(zhàn)，極高頻率的 5G 信號還會為單晶微波積體電路 (MMIC)、芯片到封裝的互連、電路板跡線、電纜組件及連接器帶來進一步的挑戰(zhàn)。千兆赫頻率下信號的傳播，使得電纜和跡線的行為有別于簡單的電線，而是與傳輸線類似。在整個傳輸線的長度上，電流和電壓的幅度和相位都會發(fā)生變化。如果在設計期間不正確處理的話，那么傳輸線會產生難以排除的錯誤。如果跡線長度超過信號波長的四分之一，則在設計過程中必須考慮傳輸線效應。另外，天線效應在這類的長度上會產生一定的影響，比如說電磁干擾和串擾，也必須由設計人員妥善處理。

為了實現有效而又具有極高效率的毫米波系統(tǒng)，連接器也會帶來挑戰(zhàn)。組件的設計人員必須應付對連接器的幾何形狀、尺寸及材料的選擇構成了約束的各種要求，與此同時仍要與整條傳輸線上的特性阻抗相匹配。為了減少信號反射并實現最大的功率輸送，阻抗匹配具有至關重要的作用。這樣反過來又會使天線輻射的能量達到最大，盡可能為接收器生成最強的無線信號。與之前幾代相比，5G 連接器必須能夠應對高得多的功率（特定情形下可能出現 15 安以上的瞬時電流消耗）。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）獨一無二的屏蔽層布置。

在 5G 連接器更為嚴格的電氣特性與機械性能、成本與制造的復雜程度之間，必須達到一種新的平衡。

●   高速連接器：在消費級產品內部，按照 5G 標準規(guī)定的速度在一系列組件之間推送數以百萬比特計的數據，會構成重大的挑戰(zhàn)，即使在 3G甚至 4G 設備設計方面富有經驗的廠商也會遇到挑戰(zhàn)。連接器必須經過精心的設計和制造，以使傳輸線上的阻抗變化減少到最低程度。否則，信號可能發(fā)生反射，造成性能降級。外部信號還會構成威脅。因此，連接器必須為系統(tǒng)提供充分的保護，防止電磁干擾 (EMI) 和電容器傳感器產生外部信號，這一情況在更高的速度下會形成更大的挑戰(zhàn)。

●   微型連接器：5G 連接器必須容納于現代移動設備提供的狹小空間當中。堆疊式連接器允許在填充緊密的柔性和剛性電路板上使用。盡管存在著嚴格的物理約束，5G 的電子組件仍然必須符合對電壓駐波比(VSWR) 和插入損耗 (IL) 之類散射參數的嚴格要求。精心設計的連接器應使信號的反射、降級與失真降至最低程度，與此同時還要減小自身的物理體積。連接器和相關的線束還必須配備充分的屏蔽措施，從而有效地降低 EMI；在毫米波的頻率下，這一點甚至更加關鍵。

5   明日的 5G 組件，今天的情況

5G 應用中使用的組件，必須符合在移動設備中使用的嚴格電氣要求與機械要求。5G 組件必須整合到（至少從一開始）還會包含原有 3G/4G 以及 Wi-Fi硬件的設備當中。對于消費類移動設備來說，這將是第一次使用毫米波頻率。5G 組件選用過程中的其他考慮事項包括如下。

1）低延遲、低噪聲：5G 會提供可觀的速度，但這是以更高的設計復雜程度為代價的。組件必須經過認真細致的設計，確保對信號完整性以及系統(tǒng)的整體性能只會產生極小的影響，或者根本不會產生影響。

2）高密度：組件必須具有小巧的體積與極高的能效，從而實現所需的密度，滿足對 5G NR 的性能規(guī)范的要求，比如說龐大的 MIMO 天線架構的要求。

3）成本效益：5G 組件提出了嚴格的要求，但是也被期待著可以嵌入到一切產品當中。那就意味著組件的成本必須保持在相對較低的水平，同時還要提供與當前的 4G 技術相比更高的性能。

4）可制造性：5G 組件和系統(tǒng)的設計可能會極其復雜，但物理組件的制造工藝不得過于繁復。5G 的制造工具和制造技術必須在低成本的條件下實現良好的產出，同時還要滿足物理和電氣的性能特性上的嚴格要求。

5）穩(wěn)健性：5G 組件將會無處不在。因此，由于會存在形形色色的環(huán)境條件以及各不相同的用例，組件必須能夠耐受嵌入到移動設備后出現的粗暴操作。

6   Molex的優(yōu)勢

在電信和數據通信行業(yè)數十年來從事創(chuàng)新以及所積累豐富經驗的基礎之上，Molex開發(fā)了顛覆性的技術，并且引領連接標準的制定，從而推動行業(yè)向前邁進。我們已經準備就緒，可以與那些期待著將 5G移動設備引入市場的參與者協(xié)作，并且分享Molex的專家經驗。

Molex在 5G 的研究與開發(fā)上全力投入，采用了更加新穎、頻率更高的測試室。Molex在產品設計與系統(tǒng)制造上的專家經驗可以使設計人員創(chuàng)造出適合批量生產的 5G 產品。Molex的毫米波連接器極具成本效益，生產時可實現極大的批量。

對于電信和數據通信業(yè)的 OEM 來說，Molex是一家領先的供應商，從開發(fā)和生產到全壽

命的系統(tǒng)支持，在高速連接和信號完整性管理以及射頻技術領域發(fā)展出了豐富的專家經驗。在將射頻天線、微型連接器和信號完整性設計上的豐富知識精心結合到一起后，Molex能夠創(chuàng)造出各種創(chuàng)新性的解決方案，為行業(yè)領先的 5G 毫米波技術企業(yè)提供大力支持。

在進入 5G 移動設備市場的這場競賽中，與Molex的協(xié)作可以助我們的 OEM 客戶以一臂之力。除了廣泛的產品線以及專業(yè)的員工以外，我們提供的能力與服務不可能在企業(yè)內部復制下來，即便有可能，那也是極其昂貴與困難的。我們一些突出的能力包括：

1）高速微型連接器設計上的專家經驗：移動設備必須符合審美上的嚴格要求，比如說最小的產品物理尺寸（例如，厚度、質量）。將越來越多的功能塞入到移動設備之中，同時在極高的速度下運行，這就意味著組件必須同時在機械上和在電氣上采取令人難以置信的精心設計。它們在物理上還必須足夠的穩(wěn)健，從而耐受移動設備每天都會遇到的粗暴操作。Molex提供一系列形形色色的連接器，包括鏡像夾層連接器、(2.2~5) GHz 射頻連接器系統(tǒng)及 QSFP 連接器，可提高設計上的靈活性并確保極高的操作效率。

2）天線設計上的專家經驗：5G 設備需要獨一無二的天線設計作業(yè)與材料，在更高一些的頻率下尤為如此。Molex內部的設計專業(yè)人員可以針對客戶的具體應用來協(xié)助設計 5G 天線。Molex的多種天線產品都已經準備就緒，可隨時用于 6 GHz 以下的 5G 應用，包括編號為 5209142、146234、207901、208485 和213523 的這些型號。

3）6 GHz 以下天線和毫米波天線的 5G 電波暗室：對 5G 功能的產品進行測試以確保滿足規(guī)范的要求，需要的設施與設備現在尚未普及開來。這一情況對于毫米波硬件來說尤其嚴重。Molex的測試設施能夠測試低波段、中波段和毫米波的 5G 頻帶。在產品開發(fā)過程中與Molex合作，可以給予 OEM 以充分的信心，在產品發(fā)布前即可使產品和相應的組件接受徹底的測試。這樣可以顯著降低產品上市發(fā)生延誤的風險。

4）高級仿真軟件：Molex將穩(wěn)健的電磁結構解算器軟件整合到了設計流程當中，其中包括了 Ansys的高頻結構模擬器 (HFSS) 和Computer SimulationTechnology公司 (CST) 旗下的Studio套裝。HFSS 基于有限元的方法，而 CST 提供的則是可在時域和頻域下工作的多種解算器。

5）高級 MID 技術：Molex在成型互連設備/激光直接成型 (MID/LDS) 技術方面大力投入，從而在三維上可以緊密的集成各種復雜的電氣結構與機械結構。相對于傳統(tǒng)上二維的制造工藝來說，MID/LDS 技術可以實現尺寸更小的 5G 組件，前者的兩個設計域幾乎沒有整合起來。

6）5G 制造能力：我們可以協(xié)助 OEM，在 5G 的電氣和射頻要求與機械和易制性的要求之間實現良好的平衡。我們擁有世界一流的制造能力，可以為OEM 快速實現定制的設計。

（本文來源于《電子產品世界》雜志2020年10月期）