Conception PCB pour 5G et WiFi-6

De nombreuses entreprises espèrent ouvrir de nouveaux marchés avec l'introduction généralisée de la 5G et du WiFi-6. Plus d'appareils, plus de capteurs et donc plus d'informations qui sont évaluées, traitées et transmises. Il ne restera pas seulement avec les applications qui nécessitent peu de données, telles que les thermostats et les commandes de chauffage à la maison. Il y aura également plus d'applications vidéo haute résolution où des images de 4 ou 8k seront transmises en temps réel "sans à-coups". Ici, les volumes de données sont énormes et les défauts des lignes de transmission sont immédiatement "visibles". Si des capteurs doivent être utilisés pour contrôler le trafic, les machines et les infrastructures, la ligne de transmission doit être stable et une certaine transmission doit être garantie. Actuellement il y aura des améliorations à l'infrastructure en Suisse et le backbone de l'internet est equipé de plus en plus avec fibre optique (par exemple FTTH Fibre to the Home). De nouveaux routeurs et répéteurs établissent ensuite la connexion WLAN dans la bande de fréquences de 2,4 et 5 GHz avec le câble à fibres optiques. La possibilité de connecter des appareils sans fil, rapidement et en toute sécurité remplacera de plus en plus les connexions par câble sur les derniers mètres jusqu'aux appareils terminaux.

Il y aura deux nouvelles normes similaires à l'avenir : Les connexions extérieures se feront via 5G et les connexions intérieures via WiFi-6. Pendant la période de transition, les appareils devront être rétrocompatibles et supporteront également des normes plus lentes. Étant donné que la multiplicité des antennes et des gammes de fréquences rend les exigences relatives aux appareils plus complexes, dans quelques années, de nombreux appareils, en particulier dans le secteur grand public, ne supporteront que les nouvelles normes.

Les avantages de la 5G et du WiFi-6 sont une plus grande largeur de bande, un plus grand nombre d'abonnés dans une cellule, une latence plus faible et une plus grande mobilité. Avec und plus grande largeur de bande, les données vidéo en résolution 4k ou 8k peuvent être diffusées sans problème. Cela modifiera notre comportement en matière de télévision avec des heures de programmes fixes vers des médiathèques avec du contenu à la demande pour le streaming. Comme il est possible d'avoir plus de participants dans une cellule radio mobile qui est également de plus en plus petite, les spectateurs d'un stade événementiel diffusseront bientôt l'action en direct à leurs amis. Cela modifiera aussi fortement la pression sur les chaînes d'information concernant l'actualité. La latence permet également le contrôle sécurisé des machines et des robots en temps réel par radio. Cela entraînera également une augmentation du nombre de dispositifs IdO et une plus grande automatisation des ménages.

Les architectures informatiques vont changer. Si plusieurs appareils participent à l'échange de données par radiocommunication, les données doivent être évaluées et les actions correspondantes doivent être calculées pour le contrôle. Afin de contrôler les priorités en matière de circulation, par exemple lorsque les pompiers doivent avoir carte blanche avec des feux clignotants, l'état des feux de circulation et des usagers de la route doit être enregistré, évalué et contrôlé de manière centralisée. Ce seul exemple montre que la radiocommunication doit se faire en temps réel et que les nombreuses données doivent être combinées dans un ordinateur central de contrôle du trafic. Néanmoins, la voiture autonome doit disposer de la puissance de calcul nécessaire pour freiner en cas de situation dangereuse soudaine et aussi pour avertir par radiocommunication les autres usagers de la route se trouvant à proximité. Cela signifie que la connexion radio 5G doit également fonctionner pour les participants en mouvement.

Que signifient ces changements pour les développeurs hardware

Pour les futurs appareils, cela signifie que des capteurs plus sensibles seront utilisés, dont la plupart ont pour source des signaux analogiques. Dans ce cas, les fournisseurs proposeront probablement des modules avec une interface numérique ou intégreront le capteur dans un ensemble de circuits intégrés.

Les modules de capteurs intelligents ne se contenteront pas de mesurer les données, mais les filtreront et les évalueront selon des spécifications et rendront les résultats disponibles sous forme d'informations numériques. D'autres concepts consistent à envoyer les données sous forme numérique dans le cloud, où elles sont évaluées et traitées par l'intelligence artificielle, puis à en récupérer les résultats.

De simples capteurs IoT (par exemple des thermomètres extérieurs) dotés d'une batterie longue durée ne transmettront qu'occasionnellement les valeurs mesurées au WLAN. Cependant, si les capteurs font partie d'un système de contrôle local, il y aura un CPU ou un DSP avec mémoire en plus de l'antenne pour contrôler localement l'évaluation et la régulation et communiquer les états.

La variété des solutions et la complexité de l'électronique ne cessent de croître. L'intégration de la radiocommunication dans la bande de fréquences GHz, de capteurs analogiques sensibles et de processeurs numériques avec mémoire sur une carte de circuit imprimé pose un défi à la qualité du signal et au comportement CEM. Dans le même temps, la demande de miniaturisation, de fonctionnement sur batterie et de moindre consommation d'énergie s'accompagne d'une intégrité de puissance et de limitations thermiques.

Ces questions ne doivent pas être ignorées ou mises en veilleuse. Comme nous l'avons déjà vu avec le dernier saut technologique de la 3G à la 4G, cela entraîne toujours une perturbation de la structure précédente des fournisseurs. La 3G et la 4G n'ont pas seulement permis une transmission de données plus rapide, elles ont également permis d'autres modèles commerciaux. Avec cette technologie, des fournisseurs tels que Netflix, Google, Apple et Amazon ont émergé. D'autres fournisseurs qui n'ont pas profité des possibilités offertes par la nouvelle technologie ont perdu de l'importance ou ont complètement disparu du marché.

Aujourd'hui, les développeurs ont également besoin de créativité. Impliquez le service marketing et faites-lui savoir quelle valeur ajoutée supplémentaire peut être apportée à ses appareils à partir des données existantes. Nous sommes en compétition internationale, tout le monde veut gagner. Le marché de la 5G et du WiFi-6 connaît une croissance exponentielle et va une fois de plus changer massivement notre vie quotidienne.

Bases techniques pour la 5G et le WiFi-6

L'augmentation énorme, jusqu'à un facteur 1000, de la vitesse de transmission est principalement due à trois approches. La densité de cellules radio plus élevée avec plus de points d'accès par zone permet un débit de données plus important par un facteur de 10. Les nouvelles antennes MIMO (Multiple Input Multiple Output) peuvent même utiliser "beamforming" pour aligner la direction de transmission directement sur les objets en mouvement et obtenir une efficacité spectrale supérieure d'un facteur 20. Grâce aux fréquences supplémentaires plus élevées (>24 GHz) sur lesquelles les données peuvent être transmises, le débit peut être multiplié par un facteur de 5. Il en résulte un débit de données théorique 1000 fois plus élevé que l'infrastructure actuelle.

Pour les fabricants de semi-conducteurs, de nouveaux matériaux tels que le SOI, le GaAs et le GaN sont désormais ajoutés au CMOS, et les exigences de qualité pour les composants CMS, les laminés et les boîtiers de circuits intégrés augmentent pour les applications à haute fréquence pour la 5G (24-40 GHz) et l'automobile (77-81 GHz).

GHz sur les circuits imprimés

Avec les antennes MIMO ou Patch massives, de nouvelles "interfaces aériennes" à faible latence peuvent être mises en œuvre pour les connexions massives. À cette fin, des lobes de transmission sont formés à partir de plusieurs antennes. Le déphasage provoque une interférence intentionnelle, la forme des lobes de l'antenne devient plus étroite et est amplifiée dans une direction par la superposition. En utilisant différentes phases du même signal provenant par exemple de quatre antennes Patch, la direction du lobe de l'antenne peut être alignée. Avec le bon contrôle, les lobes de l'antenne peuvent également suivre des objets en mouvement. Au lieu de distribuer un signal aux quatre antennes du réseau, deux signaux peuvent également être distribués à deux paires d'antennes. Cela permet à deux appareils (WiFi-6) ou voitures (5G) de communiquer simultanément sur la même fréquence dans des directions différentes sans interférence du signal. Cela augmente la densité de puissance.

Les défis pour les antennes

Afin de connecter les antennes pour former un réseau, des conditions absolument précises sont requises pour la disposition géométrique des antennes. Les lobes de transmission peuvent alors être alignés de manière homogène dans l'espace. Non seulement les géométries des antennes doivent être identiques, mais les lignes d'alimentation des signaux doivent être réglées pour la haute fréquence.

Pour la conception des antennes, il existe le logiciel AWR Microwave Office, dans lequel la forme de l'antenne peut être définie et échangée de manière bidirectionnelle avec les données de disposition dans l'outil PCB. Pour le calcul du comportement réel, il est nécessaire de prendre en compte non seulement les antennes mais aussi les lignes d'alimentation à la sortie de l'amplificateur. Le comportement électrique de cette géométrie avec les antennes, les lignes d'alimentation et éventuellement aussi les vias peut être extrait et simulé avec un 3D Field Solver comme Clarity ou HFSS. La conception de l'antenne est un processus itératif.

De nombreux compromis sont nécessaires pour concevoir des antennes puissantes sur des circuits imprimés. La taille de l'antenne est en contradiction avec la miniaturisation des appareils et l'espace d'installation disponible. Pour obtenir de meilleures performances, un prépeg peut être utilisé localement dans le PCB avec un autre εr et une tangente de perte de 0,002 comme diélectrique d'inlay pour la gamme RF dans le PCB. Ces inlays ne constituent plus un problème de production et n'augmentent que très peu les coûts. L'Allegro PCB Editor supporte des zones avec différentes εr et tangente de perte sur une couche dans la pile de couches pour les diélectriques d'inlay dans la gamme RF.

Avec les informations sur le boîtier mécanique, la position et le contrôle de l'antenne peuvent être optimisés pour un gain maximal en angle et en portée.

Afin de protéger les lignes d'alimentation RF aux antennes contre les interférences extérieures, les lignes peuvent être blindées par des surfaces de mise à la terre avec des vias de blindage. L'espacement des vias doit être de ʎ/6, c'est-à-dire un sixième de la longueur d'onde utilisée. Après la sélection de la ligne RF, le schéma des vias peut être généré automatiquement. Le blindage est pris en compte lors de l'extraction et de la simulation 3D.

Plus d'interférences d'autres appareils

Si plusieurs appareils communiquent via des interfaces sans fil, d'autres appareils seront automatiquement perturbés également. L'augmentation des densités de puissance et l'élargissement de la bande de fréquences rendent l'immunité aux interférences d'autres appareils encore plus importante. Même les développeurs qui n'ont pas d'applications RF sur leurs circuits peuvent être perturbés par d'autres appareils venant de l'extérieur. Les antennes sur les circuits imprimés sont des structures en cuivre dans lesquelles circule un courant alternatif, générant un champ électromagnétique à certaines fréquences. En même temps, la structure reçoit des ondes électromagnétiques aux mêmes fréquences et les convertit en courants. Ce principe s'applique à toutes les structures conductrices sur le circuit imprimé. La CEM n'est rien d'autre que la réception indésirable d'énergie et sa conversion en courants qui perturbent le comportement du circuit électrique. Avec le nombre croissant d'interfaces sans fil, les exigences de simulation et de test de la résistance CEM de toute électronique augmentent.