La transizione da 4G LTE a 5G richiede un nuovo modo di guardare alla progettazione, per ridurre ulteriormente le dimensioni senza limitare le prestazioni

La transizione da 4G LTE a 5G nell’industria dei cellulari richiede un nuovo modo di guardare alla progettazione. Le dimensioni dei componenti elettromeccanici nel 4G LTE sono state in genere ridotte il più possibile, nei limiti della ragionevolezza, per ridurre l’ingombro, la potenza e il peso, e rendere d’altro canto i sistemi più efficienti. Con queste dimensioni e i requisiti RF, un certo livello di tolleranza nella produzione e nella scelta dei materiali risultava accettabile.

 

Nuove frequenze, nuove sfide

Il 4G LTE ha una frequenza massima di circa 6 GHz. Il 5G ha saltato diverse frequenze fino ai range dei 40 GHz e dei 70 GHz. Nel 4G LTE a 6 GHz, la lunghezza d’onda in aria è di circa 1,97 pollici. Per il 5G a 40 GHz, la lunghezza d’onda corrispondente è di 0,30 pollici, e per quello a 70 GHz è di 0,17 pollici. La lunghezza d’onda di 1,97 pollici a 6 GHz è oltre 10 volte la lunghezza d’onda di 0,17 pollici a 70 GHz.

Per questo è necessario che gli ingegneri si avvicinino ai progetti con la consapevolezza che le dimensioni devono essere ridotte. Per comprendere la portata di tale riduzione delle dimensioni, è necessaria un’analisi di tutti i componenti elettromeccanici di un sistema.

 

Standard Frequenza Lunghezza d’onda in aria
4G LTE 6 GHz 1.97 in
5G 40 GHz 0.30 in
5G 70 GHz 0.17 in

 

 

Ecco alcune delle domande che bisogna porsi:

  • Quanto devono essere ridotte le dimensioni?
  • Quanto devono essere strette le tolleranze?
  • Le attuali scelte dei materiali saranno adeguate?
Perché la simulazione nel 5G?

La simulazione è uno strumento che consente di esplorare le risposte a queste domande senza il costoso processo di fabbricazione e di test dei componenti. Il 5G sta dando impulso all’uso della simulazione come strumento di apprendimento, addirittura prima della progettazione del prodotto.

La regola generale per la progettazione dei componenti è la seguente: se il componente è più piccolo del 10% della lunghezza d’onda, può essere semplicemente modellato come un elemento concentrato. Con i sistemi 4G LTE, un componente con dimensioni fino a 0,197 pollici (10% della lunghezza d’onda a 6 GHz) può essere trattato come un elemento DC a parametri concentrati in un circuito. Con il passaggio a 5G, qualsiasi cosa più grande di 0,030 pollici per sistemi a 40-GHz e 0,017 pollici per sistemi a 70-GHz deve essere modellata come un componente RF. Di conseguenza, i componenti devono essere resi più piccoli e con tolleranze più strette di prima per soddisfare i requisiti di prestazione.

Un connettore di prova modellato in COMSOL Multiphysics

Strumenti di simulazione come COMSOL Multiphysics aiutano i tecnici a capire come gestire le frequenze più alte richieste con l’implementazione del 5G. Partendo dallo sviluppo di semplici modelli in cui vengono valutate diverse dimensioni, tolleranze e materiali, i tecnici possono iniziare a capire come questi elementi interagiscono e come le modifiche loro apportate influenzeranno le prestazioni. Questo è il primo passo verso la costruzione di un bagaglio di conoscenze che può essere utilizzato nella progettazione di componenti e dispositivi più grandi e complessi. A mano a mano che questi componenti vengono sviluppati, più fenomeni fisici (come flusso di calore e sollecitazioni meccaniche) possono essere aggiunti al modello per capire più a fondo come funzionerà il progetto nel mondo reale.

Il passaggio dal 4G LTE al 5G è una sfida importante che richiederà una maggiore comprensione del modo in cui tutti gli aspetti del progetto ne influenzeranno le prestazioni. COMSOL Multiphysics è un eccellente strumento per imparare e capire come arrivare al 5G.

di Eric Gebhard, vice presidente di Signal Microwave

 

Eric Gebhard ha conseguito la laurea in ingegneria presso la Arizona State University nel 1995. Ha lavorato per oltre 20 anni in vari ruoli come tecnico e come manager, sia nell’industria aerospaziale che in quella RF; negli ultimi 10 anni ha lavorato sui progetti di connettori RF e sulla simulazione RF utilizzando il software COMSOL Multiphysics. Attualmente è il vice presidente di Signal Microwave.