Il futuro del 5G nasce da connessioni invisibili

Signal Microwave utilizza la simulazione per progettare connettori specializzati per applicazioni RF ad alta velocità

La rete 5G mira a raggiungere una velocità 100 volte superiore al 4G LTE e ad aumentare di 10 volte le velocità di connessione a banda larga. “Ci sono moltissimi aspetti in rapida evoluzione da coordinare per poter trasformare il 5G da sogno in realtà”, dice Bill Rosas, cofondatore di Signal Microwave. “Chi si trova in prima linea deve implementare il 5G, ma deve anche pensare a tutto il resto, da come testare le reti a come aggiornare le interconnessioni nei sistemi”.

I connettori sono presenti in tutti i dispositivi e i sistemi elettronici e la loro precisione è fondamentale per i circuiti che trasmettono le informazioni, a maggior ragione con l’aumento delle velocità di trasferimento dei dati.  

Eric Gebhard e Bill Rosas hanno fondato Signal Microwave per fornire connettori specializzati al mercato “on demand” legato all’integrità del segnale. Anticipando la richiesta di connettori ottimizzati a RF, microonde e onde millimetriche per i circuiti destinati a trasmettere a velocità di trasferimento dati sempre più elevate, Signal Microwave supporterà lo sviluppo di un futuro a 5G.

La complessità di frequenze più elevate  

Chi lavora sui connettori RF (a radiofrequenze) si scontra con una serie di ostacoli complessi: è necessario rispondere a vincoli sulla geometria, sulle dimensioni e sulla trasmissione, assicurando nello stesso tempo al connettore l’adattamento con il resto della linea di trasmissione.

Con l’aumento della frequenza, mantenere l’impedenza stabile diventa più complesso, perché piccole anomalie nella geometria o nei materiali selezionati possono risultare amplificate.

Figura 1: Dettaglio della launch transition (in alto). Una scheda di verifica completa utilizzata dai tecnici per costruire sistemi 5G (in basso).

Gebhard e Rosas volevano scoprire come ottimizzare ulteriormente questi componenti critici dell’infrastruttura 5G grazie alla simulazione. I clienti di Signal Microwave operano in settori molti diversi, tra cui lo sviluppo di applicazioni ad alta frequenza, da 40 GHz to 110 GHz, per il settore della comunicazione, per i consumi di massa e per l’ambito militare.

Progettare un connettore RF

 “Il software può interfacciarsi con altri strumenti di modellazione: così il nostro team ha potuto sviluppare rapidamente connettori ottimizzati capaci di rispondere ai requisiti specifici dei nostri clienti, attivi in diversi mercati”, spiega Gebhard. Questo approccio riduce il time to market, i costi complessivi di sviluppo e l’investimento richiesto.

Lo scopo della progettazione di un connettore RF è costruire un componente elettricamente invisibile, rendendolo indistinguibile dal resto della linea di trasmissione. “Abbiamo bisogno di ridurre al minimo il disadattamento che causa fenomeni di riflessione, da cui derivano distorsioni o un segnale più debole”, continua Gebhard. La simulazione rappresenta un modo per ottenere questo risultato prima ancora della produzione e dei test.


Figura 2: Misure del rapporto di onda stazionaria (VSWR) (in alto) e perdita d’inserzione, con valore di S21 (dB), per una scheda elettronica di test con i componenti di Signal Microwave (in basso).

Verso una connessione perfetta, grazie alla simulazione

I clienti di Signal Microwave richiedono parametri geometrici specifici per una parte del connettore, oltre a una impedenza predeterminata, che poi influenza il resto del progetto. Gebhard e Rosas hanno scelto un approccio olistico: considerano i requisiti per la scheda elettronica e per il dispositivo nel loro insieme, prima ancora di cominciare il progetto del connettore. Costruiscono la geometria con Solid Edge e la importano in COMSOL Multiphysics, dove poi utilizzano la funzionalità di modellazione RF per analizzare e ottimizzare il progetto.

Grazie alla simulazione, Gebhard ha potuto calcolare il Rapporto di Onda Stazionaria (Voltage Standing Wave Ratio, VSWR), la riflessione e le perdite di inserzione, ovvero l’energia persa a causa del disadattamento o di discontinuità impreviste (un valore che deve essere ridotto il più possibile).

Il rapporto di onda stazionaria (VSWR) misurato per una scheda elettronica di test con i componenti di Signal Microwave corrisponde ai risultati della simulazione e risulta inferiore a 1.5:1, indicando perdita e riflessione contenute (ved. Figura 2, in alto). Le perdite non sono elevate e crescono gradualmente con l’aumentare della frequenza (ved. Figura 2, in basso). Con la simulazione multifisica, è stato possibile creare un portfolio di edge connectors privi di saldature, caratterizzati da riflessioni minime, caratteristica che può essere estesa all’ambito delle onde millimetriche.

I connettori edge-launch

Gebhard ha modellato due connettori edge-launch, eccitati e chiusi su due porte coassiali concentrate da 50 ohm. In questo caso, la guida d’onda coplanare (Grounded Coplanar Waveguide, GCPW) è stata costruita con un substrato di 8 millimetri con costante dielettrica di 3.55. I piani di massa della CPW si connettono al piano di massa inferiore tramite via metallizzati (ved. Figura 3).

“Per rendere elettricamente invisibile un connettore, riduciamo al minimo la riflessione, definita da parametri di scattering, concentrandoci sulle discontinuità geometriche”, spiega Gebhard.  

Figura 3: Immagine tratta dalla simulazione di una scheda elettronica di test progettata per applicazioni di interconnessione ad alta velocità combinate con 5G e SatCom. In alto, il contour plot e il grafico a frecce della norma del campo elettrico in scala dB a 20 GHz (in alto). Dettaglio del primo grafico (in mezzo). Grafico di isosuperficie della norma del campo elettrico in scala dB nella parte alta di una scheda elettrica a 1 GHz (in basso).

 

Molto vicini alla realtà

Gebhard ha poi sviluppato dei connettori blind mate a 70 GHz, utilizzati per i test automatizzati delle attrezzature. Dopo aver creato il modello RF nel software, ha fatto costruire i prototipi. Con sua grande sorpresa, ha constatato che i prototipi dei connettori non funzionavano come previsto.  Analizzato nel dettaglio, il prototipo ha mostrato un piccolo difetto. Con un po’ di ingegneria forense, Gebhard ha modificato il modello originale aggiungendo i difetti. Ed ecco che finalmente la simulazione ha dato gli stessi risultati della prova fisica!

“Il progetto virtuale era corretto, ma i componenti non lo erano e non ce ne eravamo accorti. Dopo averlo testato e aver analizzato le parti nel dettaglio, abbiamo individuato il problema. Soprattutto in questo caso, sono stato felice di vedere che i risultati della simulazione si avvicinavano tanto a quelli reali. Nel progetto di questo connettore RF avevamo aggiunto alcuni elementi unici ed eravamo molto curiosi di vedere quali sarebbero state le sue prestazioni”.

L’assoluta precisione della simulazione ha permesso a Gebhard di progettare e costruire in piena libertà connettori su misura per specifiche applicazioni RF, riducendo il numero di prototipi da costruire e accelerando notevolmente i tempi di sviluppo.

 

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