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
Категория IoT | Примеры применения |
Сегмент 1: массовая продукция для IoT | «Умные» дома, транспортная логистика, управление автотранспортным парком, «умные» измерительные приборы, агрикультура |
Сегмент 2: важные изделия для IoT | Безопасность движения, беспилотные автомобили, промышленные применения, промышленность с удаленным управлением, здравоохранение (включая дистанционную хирургию) |
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
Параметры | Bluetooth, Wi-fi, RFID, ZigBee, Z- Wave | NB-IoT | EC-GPRS | SigFox | LoRa |
Диапазон | От 10 см до 200 м | < 11 км | < 11 км | < 9 км | < 7 км |
Максимальные потери из-за переходного затухания, дБ | < 100 | 164 | 164 | 160 | 157 |
Спектр, ширина пропускания | Нелицензионный 2.4 ГГц | Лицензионный IMT, 200 кГц, общего пользования | Лицензионный 800–900 МГц, общего пользования | Нелицензионный 868 МГц, 125 кГц | Нелицензионный 868 МГц, 600 Гц |
Скорость передачи данных | < 100 Мбит/с |
< 62 кбит/с UL < 26 кбит/с DL |
< 70 кбит/с | < 1 кбит/с | < 50 кбит/с |
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
- Cisco. Visual Network Index: Global Mobile Data Traffic Forecast Update, 2015–2020. February 2016.
- International Communications Union. IMT Vision–Framework and Overall Objectives of the Future Development of IMT for 2020 and Beyond. September 2015.
- Ericsson. Ericsson Mobility Report. June 2016.
- Nokia. From NB-IoT to 5G. IWPC Workshop Presentation, October 2016.
- Simulation Using Rogers’ Microwave Impedance Calculator. www.globalcommhost.com/rogers/acs/techsupporthub/ en/calculator.php