Новые высокочастотные материалы для 5G и IoT

Арт Агуайо, компания Rogers Corp.

Не проходит и дня, чтобы мы не сталкивались с такими понятиями, как 5G и IoT. Очевидно, что будущее за суперсвязью и возможностями, которые она предоставляет. Устройства, подключенные к автомобилям, делают жизнь проще, поэтому мы должны быть готовы к появлению «умных» домов и даже «умных» городов. При обсуждении потенциальных выгод и соответствующих бизнес-кейсов существует множество прогнозов и мнений о развитии и применении технологий 5G и IoT.

Международный союз электросвязи (ITU) разработал стандарт 5G IMT-2020, в котором описывается, какой станет связь пятого поколения с технической точки зрения и как ее работа будет отличаться от 4G (IMT-Advanced). Термин «5G IMT-2020» был введен в 2012 году Радиокоммуникационным департаментом ITU и означает «международная мобильная телекоммуникационная система» с датой внедрения в 2020 году. В этом стандарте сообщается, какие преимущества мы получим с внедрением IoT, а также определены параметры, такие как, например, пиковая скорость передачи данных, мобильность, задержка и эффективность использования спектра. Их характеристики помогают понять, каков будет опыт пользователя, — это ключ к улучшенному мобильному широкополосному доступу (eMBB) и ультранадежной коммуникации с низкой задержкой сигнала (URLCC). На рис. 1 показано, как ITU представляет 5G.

Надписи на рисунке: 1 — гигабиты в секунду,Гбит/с; 2 — «умные» дома/здания; 3 — голоса; 4 — «умные» города; 5 — коммуникация между машинами; 6 — 3D-видео, экраны с ультра-HD; 7 — дополненная реальность; 8 — автоматизация промышленности; 9 — особо важные приложения; 10 — беспилотные автомобили; 11 — ультранадежные коммуникации с низкой задержкой; 12 — пиковая скорость передачи данных; 13 — контроль движения, Мбит/с; 14 — эффективность энергии сети; 15 — плотность соединения, количество устройств/км2; 16 — скорость взаимодействия с пользователем; 17 — эффективность использования спектра; 18 — мобильность, км/ч; 19 — задержка, мс

Рис. 1. Представление ITU для IMT-2020: а) включая сценарии использования; b) возможности улучшения предыдущей технологии IMT-Advanced

«Интернету вещей» требуются такие параметры, чтобы устройства были способны работать в самостоятельном режиме с минимальным вмешательством человека после установки и настройки. Сегодня мы наблюдаем развитие рынка IoT и расширение уже существующего рынка M2M, насчитывающего около 600 млн устройств [1]. Рынок IoT можно разделить на два сегмента [2]. Первый — крупные, массовые коммуникации с большим количеством соединений, низкой стоимостью, малым энергопотреблением и небольшим объемом передаваемых данных. Второй сегмент — важные IoT-соединения, которые требуют высокого уровня надежности и доступности с низкой задержкой. В таблице 1 показаны приложения для каждого из сегментов. На рис. 2 представлен прогноз для рынка устройств коммуникации на основе отчета компании Ericsson [3].

Рынок стационарных, мобильных телефонов, компьютеров и планшетов увеличился, тогда как общее количество устройств для IoT, сотовых и не сотовых, будет расти ежегодно на 20%. Пространство IoT также характеризуется тем, как обеспечивается связь, особенно с использованием технологий низкого энергопотребления. Разные стандарты низкого энергопотребления приведены в таблице 2.

Таблица 1. Приложения для IoT

Рис. 2. Прогноз по коммуникационным устройствам

Надписи на рисунке:

1 — стационарные телефоны;

2 — персональные компьютеры/ноутбуки/планшеты;

3 — сотовые устройства для IoT;

4 — мобильные телефоны;

5 — несотовые устройства для IoT;

6 — миллиарды

Таблица 2. Стандарты для устройств IoT с низким энергопотребления

Распределение полосы частот для 5G происходит на доступной пропускной способности, частоты можно разбить на три группы: ниже 6 ГГц, 15–40 ГГц и выше 60 ГГц.

Так как объем передаваемых данных 5G очень велик, чаще всего используются частоты 28, 39 и 77 ГГц из-за доступности спектра в этих полосах пропускания. Поскольку ожидается, что многие приложения IoT будут иметь низкую скорость передачи данных, большая часть активности IoT сосредоточена в спектре менее 6 ГГц. Исключением будут устройства IoT для наблюдения, когда для передачи видео высокой четкости из удаленных районов может потребоваться полоса пропускания миллиметрового спектра.

Материалы для печатных плат

Печатные платы (ПП) — это основа всех электронных систем. Выбор материала для ПП для радиочастотных применений зависит от частоты, уровня мощности, размера платы и необходимой функциональности. Обычно разработчики выбирают базовые материалы из эпоксидной смолы/стекла (например, FR-4), материалы со средним уровнем потерь и высокотехнологичные материалы с микроволновой/миллиметровой длиной волны.

Чаще всего используют FR-4 благодаря его механическим свойствам. Существуют разные варианты этого материала — с разными значениями коэффициента диэлектрических потерь (Df) или тангенса угла диэлектрических потерь 0,01–0,02 (раздел tier 1 и 2 на рис. 3). Данные материалы отличаются низкой стоимостью и простотой в обработке, могут использоваться для производства многослойных ПП, но без реального внимания к повторяемости электрических свойств, поскольку приложения, где они применяются, не требуют такого уровня производительности.

Второй вид материалов — специальные полимеры, часто смешанные с эпоксидной смолой, обладающие лучшими свойствами с точки зрения диэлектрических потерь. Данные материалы в основном предназначены для высокоскоростных цифровых применений с частотой до 10 Гбит/с. Последняя группа материалов определяется как высокочастотные материалы (в группе tier 5 и 6 на рис. 3), с коэффициентом Df менее 0,005.

Рис. 3. Классификация материалов для ПП по коэффициенту Df

В процессе выбора, когда решается, какой материал будет использован для конкретной ПП, учитываются разные параметры: величина потерь, диэлектрическая постоянная, толщина, теплопроводность, стоимость. В конце концов, речь идет о выборе подходящего материала по разумной цене. Большинство производителей рынка IoT используют обычные FR-4. Однако существует ряд изделий, где действуют более жесткие требования по надежности, — например, устройства для промышленного и медицинского оборудования, автомобильного трафика и т. д. Для подобных изделий используются более высокопроизводительные материалы и необходимо большее внимание к надежности, которую могут обеспечить материалы уровня tier 5 и 6. Какие преимущества по сравнению с FR-4 дает выбор высокопроизводительных материалов? Первое — влияние тангенса угла потерь на потери во всей цепи. Эта разница может быть существенной. Чтобы упростить — и не включать в анализ влияние диэлектрической постоянной Dk, которая у FR-4 составляет 4.4, а у многих высокочастотных материалов ниже, — рассмотрим модель вносимых потерь для линии передачи данных 50 Ом на FR-4 с Dk = 4,4 и толщиной диэлектрика 0,020 дюйма. Ширина для 50 Ом должна составлять 0,038 дюйма [5]. По сравнению с вносимыми потерями, когда Df варьируется в пределах 0,02–0,004 при 2,4 ГГц для линии такой ширины, вносимые потери для Df = 0,02 составляют 0,24 дБ/дюйм; для Df = 0,004 вносимые потери будут составлять только 0,01 дБ/дюйм. Преимущество здесь в том, что если цепь является антенной, снижение потерь улучшает чувствительность и расширяет диапазон антенны. В некоторых случаях основным фактором являются не диэлектрические потери материала, а диэлектрическая постоянная. Большинство высокопроизводительных материалов имеют допуск менее ±2% — даже меньше, чем у материалов с низкой диэлектрической постоянной. Тогда как FR-4 имеет допуск более ±5%, что может потребовать специальной обработки плат, чтобы они могли работать при указанной частоте. При этом материалы с более жестким допуском не требуют подобной настройки. Изменения в среде эксплуатации влияют на величину диэлектрической постоянной FR-4 достаточно сильно. FR-4 имеет более высокую способность к абсорбции влаги, чем высокопроизводительные материалы, что приводит к увеличению Dk (и Df). Если плата будет эксплуатироваться в среде с высокой влажностью, например, тропических районах в Малайзии, материалы типа FR-4 будут менять свои характеристики и геометрию из-за изменения диэлектрической постоянной. В высокочастотных ламинатах, наоборот, влага почти не влияет на их характеристики. Температурные изменения также могут ухудшить работу платы: у FR-4 диэлектрическая постоянная меняется с температурой (рис. 4). Изменения FR-4 на порядок выше, чем у более стабильных материалов (рис. 4) — более чем на 400 ppm/°C. У ламинатов RO3003™ и RO4350B™ изменения составляют около 40 ppm/°C. При сопоставлении всех этих факторов (допуск, влаго- и термостойкость) преимущество высокочастотных материалов по сравнению с FR-4 очевидно, особенно для критичных приложений.

Рис. 4. Изменение диэлектрической постоянной в зависимости от температуры

Надписи на рисунке:

По вертикали: изменения с +25 °С;

По горизонтали: температура;

Во многих случаях IoT-устройства отличаются минимальным размером, поэтому необходимо уменьшение размеров антенны и ПП. При выборе материалов с диэлектрической постоянной, равной 6, 10 или выше, использование FR-4 с Dk = 4,4 при разработке ПП иногда возникает проблема, когда уменьшить размер платы невозможно.

При использовании материалов с Dk = 4.4 при частоте 1 ГГц и размере микрополоски 0,020” длина волны составляет 7”, тогда у материала с Dk = 10,2 (например, ламинат Rogers RO3010™) длина волны составит 4,4”, то есть сократится почти на 40% [5]. Материалы с более высокой диэлектрической постоянной позволяют разработчикам эффективнее уменьшать размер ПП по сравнению с FR-4.

Существуют также IoT-устройства с гораздо более высокими частотами в диапазоне 28–40 ГГц и необязательно в сетях с низким энергопотреблением, где использование специальных материалов с низким коэффициентом потерь просто необходимо. Также необходимо тщательно выбирать медную фольгу, чтобы снизить влияние проводника на вносимые потери. В случае материалов на основе PTFE очень часто применяют катаную медную фольгу, а не электроосажденную медь. Однако для материалов, которые состоят из термореактивных смол с низком показателем потерь, гладкая фольга влияет на прочность на отрыв меди, во многих случаях снижая значение до предела, установленного в отраслевых стандартах. Для того чтобы решить эту проблему компания Rogers разработала медную фольгу LoPro® для использования с материалами Rogers RO4000®, позволяя разработчикам снижать вносимые потери, сохраняя прочность на отрыв медной фольги на уровне стандартной меди.

Заключение

Отрасли 5G и IoT все время развиваются и будут претерпевать значительные изменения еще в течение нескольких лет. Интеллектуальные дома, «умные» города, дистанционный мониторинг здравоохранения, промышленный контроль и автономное вождение — это области, представляющие большой интерес для производителей. Многие из этих устройств могут выиграть, если для их изготовления использовать более высокотехнологичные материалы, особенно для приложений миллиметрового диапазона. Возможности 5G и IoT, без сомнения, еще предстоит изучить, и когда нас спросят, почему мы подключили какую-то вещь к Интернету, мы ответим, потому что смогли.

Литература

1. Cisco. Visual Network Index: Global Mobile Data Traffic Forecast Update, 2015–2020. February 2016.
2. International Communications Union. IMT Vision–Framework and Overall Objectives of the Future Development of IMT for 2020 and Beyond. September 2015.
3. Ericsson. Ericsson Mobility Report. June 2016.
4. Nokia. From NB-IoT to 5G. IWPC Workshop Presentation, October 2016.
5. Simulation Using Rogers’ Microwave Impedance Calculator. www.globalcommhost.com/rogers/acs/techsupporthub/ en/calculator.php