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1 5G 的工作环境

3GPP 在设备和蜂窝之间 5G 空中接口定义为新空口 (NR)。5G 频率分布分为两个主导频带，即 FR1 和 FR2。当前的 NR 标准提供的频率支持范围从 600 MHz 左右一直到 50 GHz 以上。此外，研发也在努力实现频率 100 GHz 而且更高，甚至可以实现更高的速度。从电子设计的角度来看，这是波谱的一大部分，其中 5G 在频率范围的上下限之间有非常不同的信号特征。这一事实迫使工程师在设计过程的早期阶段考虑产品支持的频率，因为这一决定将对后期开发阶段的许多方面产生影响，我们很快就会在这本白皮书中理解。

第一频带，也叫 FR1进一步分为低波段(600~700) MHz）和中波段(2.5~3.7) GHz）。在电磁波谱中，FR1 频带已经是非常拥挤的部分了。3G/4G蜂窝移动电话台不在 6 GHz 只有设备在以下波谱中工作。这些频率也充斥着 Wi-Fi、全球定位系统 (GPS)、蓝牙和 Zigbee 通信信号。其他非通信设备，如微波炉，也在这个频率范围内运行，会产生很大的电磁噪声。6 GHz 以下是大量的电磁活动，再加上对更高数据速率的需求，有必要转向更高的电磁波谱频率。

第2频带，即 FR二、含范围从 (24~39) GHz 的毫米波长 (mmWave) 频率。简而言之，mmWave 频率的优点是频率越高，数据速率越快。类似于低波段频率 4G 的、(25 ~200) Mbps 和 FR2 可以提供频带 20 Gbps 下行链路。从物理的角度来看，毫米波的波长约为 1 cm~1 mm，相关频率范围约为 (30~300) GHz。

速度的提高必须伴随着一定的成本。首先，这些频率在视线中传播 (LOS) 受到很大限制。在一定距离内，频率越高，衰减速度越快，因此传播不够远（称为路径损失），穿透建筑物和茂密植被要困难得多。为了补偿这种损失，需要在城市环境中部署更多的蜂窝基站，尤其是这样。现实情况下，有各种蜂窝配置来应对毫米波频率。范围从几十米左右可操作十几台设备的微蜂窝延伸到几百米内可操作几百台设备的城市站。

2 设计和工程考虑

5G 这是无线通信性能的巨大提高。这种性能的提高确实是以更高的复杂性和工程设计中独特的挑战为代价的。相关挑战还包括以下几个方面：

1)信号传输；

2)电源管理和热管理；

3)天线模块的布局和尺寸；

4)高频设备中的信号。

首先，移动设备和基站需要密切协调。G NR 在很大程度上，它依赖于多输入和多输出 (MIMO) 相控阵天线架构实现波束赋形、波束指向和波束跟踪功能。这最终可以在每个端点之间大规模实现最大数据速率。然而，大规模 MIMO 架构需要密集的天线配置，这挑战了电子组件的性能。

在较高的频率下，天线单元之间的物理距离非常小。另外，更多 5G 组件和更高的频率也意味着需要为通信子系统分配更多的功率预算。在这种环境下，提供毫米波的射频功率并消耗相应的热量将是非常具有挑战性的，需要创新系统设计和材料选择。例如，基于第四代氮化镓的转换 (GaN) 场效晶体管具有较高的功率密度，实现了巨大的功率密度 MIMO 包装结构所需，尺寸较小。其他能显著影响移动设备的设备 5G NR 性能的关键组件包括天线和连接器。在 5G 在运行环境的背景下，它们都面临着自己独特的挑战和考虑因素。

3 天线多，空间少

从技术的角度来看，5G 它代表了革命性的升级，但部署过程将非常多样化，因为运营商将使用不同的波谱来构建自己的网络，这将使传输距离、延迟和数据携带能力有很大的差异。虽然实现无处不在需要几年的时间 5G覆盖，不同版本的种类很多 5G 网络建设将加快步伐。这样，由于上述衰减性能，世界农村地区可能永远不会享受毫米波支持的数据速率的好处，数据速率可能只会获得 6 GHz 以下频率提供支持，因此 5G 网络也会有和 4G LTE 类似的下载能力(速度和延迟)。

此外，从 4G 到 5G 在过渡过程中发布的移动设备几乎必须集成多个天线，以便处理 5G 以外的3G 和 4G LTE 波形。此外，在可预见的未来，低功耗蓝牙，IEEE 802.11 Wi-Fi 和 GPS 将继续在 6 GHz在以下频带下运行。也就是说，在设计中选择毫米波和 6 GHz 以下频率的天线不一定是一个非此即彼的过程。因此，移动设备 OEM 在产品开发的设计阶段和工程阶段，决定是否添加适合毫米波频率的天线会产生一定的影响。如果你选择不包括毫米波天线，当然会有业绩担忧，因为它可能会影响产品的销售，或者至少会引起消费者的混淆。

5G 中，6 GHz 以下频带更接近当前频带 4GLTE 频率。在这种相对较低的频率下，天线的布局只是性能方程的一部分。在确定设备无线通信整体共振性能的过程中，天线与移动设备内部配置密切相关。考虑到用户对超薄移动设备的偏好，天线工程师必须考虑物理设计、材料选择和内部组件配置。或者，在毫米波的频率下，天线和手机机体之间的不值得担心。相反，挑战在于天线的覆盖层。无论覆盖层材料是金属、玻璃甚至塑料，它们在电气上都不轻，甚至对下方天线的辐射性能产生明显的不利影响。此外，与设备用户手的布局相比，天线也会影响毫米波的发射和接收。根据插槽设计或频率选择定制的天线设计和独特的天线布局 (FSS) 结合设计原则后，可以优化移动设备天线的辐射图。此外，孔径调谐、阻抗调谐等天线调谐技术可以改善带宽增益，延长电池寿命，因为调谐天线消耗的电流低于未调谐天线，可以提供相同程度的发射功率RICOH代理。

4 建立连接：连接器对传输路径的影响

除了应对空中接口和相关天线的挑战外，高频率 5G 信号还将是单晶微波积体电路 (MMIC)、进一步挑战芯片到包装的互连、电路板痕迹、电缆组件和连接器。信号在千兆赫频率下的传使电缆和痕迹行为与简单的电线不同，但与传输线相似。在整个传输线的长度上，电流和电压的幅度和相位都会发生变化。若在设计过程中处理不当，则传输线会产生难以排除的错误。传输线效应必须在设计过程中考虑，如果线长超过信号波长的四分之一。此外，天线效应会对这种长度产生一定的影响，如电磁干扰和串扰，也必须由设计师妥善处理。

连接器还将挑战有效、高效的毫米波系统。组件的设计人员必须满足连接器的几何形状、尺寸和材料的选择，并与整个传输线路的特性阻抗相匹配。阻抗匹配对减少信号反射，实现最大功率输送至关重要。另一方面，天线辐射的能量将最大化，接收器将产生最强的无线信号。与前几代相比，5G 连接器必须能够处理更高的功率特定情况下可能发生） 15 安以上瞬时电流消耗)。下一代连接器的其他设计依据包括：

1)缩短射频端子；

2)提高屏蔽效果；

3)屏蔽层布置独特。

在 5G 电气特性与机械性能、成本与制造的复杂性之间必须达到新的平衡。

● 高速连接器：在消费级产品内部 5G 即使在一系列组件之间推送数以百万计的数据，标准规定的速度也会构成重大挑战 3G甚至 4G 有经验的设备设计制造商也将面临挑战。连接器必须精心设计和制造，以尽量减少传输线上的阻抗变化。否则，信号可能会反射，导致性能降级。外部信号也构成威胁。因此，连接器必须充分保护系统，防止电磁干扰 (EMI) 在更高的速度下，与电容器传感器产生外部信号会带来更大的挑战。

● 微型连接器：5G 连接器必须容纳在现代移动设备提供的狭小空间中。堆叠式连接器可用于填充紧密柔性和刚性电路板。虽然有严格的物理约束，但5G 电子组件仍然必须符合电压驻波比(VSWR) 和插入损耗 (IL) 严格要求散射参数。精心设计的连接器应尽量减少信号的反射、降级和失真，同时减少其物理体积。还必须配备足够的屏蔽措施来有效地减少连接器和相关线束 EMI；毫米波的频率更为关键。

5 明日的 5G 组件，今天的情况

5G 在移动设备中使用的组件必须满足严格的电气和机械要求。G 组件必须集成到(至少从一开始)，并包含原始组件 3G/4G 以及 Wi-Fi在硬件设备中。这将是消费移动设备首次使用毫米波频率。G 组件选择过程中的其他考虑因素如下。

1)低延迟、低噪声:5G 它将提供相当大的速度，但以更高的设计复杂性为代价。组件必须仔细设计，以确保只会对信号完整性和系统的整体性能产生很小的影响，或根本不会产生影响。

2)高密度:组件必须体积小，能效高，以达到所需的密度，满足要求 5G NR 性能规范的要求，如巨大的 MIMO 要求天线架构。

3)成本效益：5G 组件提出了严格的要求，但预计它们将嵌入到所有产品中。这意味着组件的成本必须保持在相对较低的水平，并提供与当前相比 4G 性能高于技术。

4)可制造性:5G 组件和系统的设计可能非常复杂，但物理组件的制造过程不应过于复杂。G 制造工具和制造技术必须在低成本条件下实现良好的产量，同时也要满足物理和电气性能特性的严格要求。

5）稳健性：5G 组件将无处不在。因此，由于各种环境条件和不同的用例，组件必须能够承受嵌入移动设备后的粗糙操作。

6 Molex的优势

基于电信和数据通信行业几十年的创新和丰富的经验，Molex开发颠覆性技术，引领连接标准的制定，推动行业前进。我们已经准备好了，我们可以期待它 5G引入市场的移动设备参与者合作并分享Molex专家经验。

Molex在 5G 全力投入研发，采用更新颖、更频繁的测试室。Molex在产品设计和系统制造方面的专家经验可以使设计师创造适合批量生产的专家经验 5G 产品。Molex毫米波连接器具有很高的成本效益，在生产过程中可以实现大批量。

对于电信和数据通信行业 OEM 来说，Molex是从开发生产到全寿的领先供应商

生命的系统支持在高速连接、信号完整性管理和射频技术领域发展了丰富的专家经验。在精心结合了丰富的射频天线、微连接器和信号完整性设计知识后，Molex为行业领先创造各种创新解决方案 5G 毫米波技术企业大力提供支持。

在进入 5G 在移动设备市场的竞争中，与Molex合作可以帮助我们 OEM 客户一臂之力。除了广泛的产品线和专业员工，我们提供的能力和服务无法在企业内部复制。即使有可能，也极其昂贵和困难。我们的一些突出能力包括:

1)高速微型连接器设计专家经验：移动设备必须满足最小产品物理尺寸（如厚度、质量）等严格的审美要求。将越来越多的功能插入移动设备并以极高的速度运行，这意味着组件必须同时在机械和电气上精心设计。它们在物理上必须足够稳定，以承受移动设备每天遇到的粗糙操作。Molex提供包括镜像夹层连接器(2)在内的一系列各种连接器.2~5) GHz 射频连接器系统及 QSFP 连接器可以提高设计的灵活性，保证极高的操作效率。

2)天线设计专家经验:5G 在更高的频率下，设备需要独特的天线设计操作和材料。Molex内部设计专业人员可以协助设计客户的具体应用 5G 天线。Molex各种天线产品已准备就绪，可随时使用 6 GHz 以下的 5G 应用程序，包括编号 5209142、146234、207901、208485 和213523 这些型号。

3）6 GHz 以下天线和毫米波天线 5G 电波暗室：是的 5G 测试功能性产品，确保符合规范要求，所需设施设备尚未普及。毫米波硬件尤其严重。Molex低波段、中波段试低波段、中波段和毫米波 5G 频带。在产品开发过程中Molex可以给予合作 OEM 在产品发布前，产品和相应的组件可以充分自信地进行彻底的测试。这可以显著降低产品上市延误的风险。

4)高级仿真软件：Molex将稳定的电磁结构解算器软件集成到设计过程中，包括 Ansys高频结构模拟器 (HFSS) 和Computer SimulationTechnology公司 (CST) 旗下的Studio套装。HFSS 基于有限元的方法， CST 它提供多种解算器，可以在时域和频域下工作。

5）高级 MID 技术：Molex成型互连设备/激光直接成型 (MID/LDS) 大力投入技术，使各种复杂的电气结构和机械结构能够紧密集成在三维中。与传统的二维制造工艺相比，MID/LDS 该技术可以实现更小的尺寸 5G 前者的两个设计域组件几乎没有集成。

6）5G 我们可以帮助制造能力 OEM，在 5G 实现电气和射频要求与机械和易制性要求之间的良好平衡。我们有世界级的制造能力OEM 快速实现定制设计。

(本文来源《IC2020年10月代理杂志