Από την προώθησή του το 2018, το πρωτόκολλο επικοινωνίας κυψελοειδούς ραδιοσυχνότητας (RF) 5ης γενιάς (5G) υποσχέθηκε να επιτύχει μια τάξη μεγέθους βελτίωση στον τρόπο με τον οποίο μεμονωμένοι χρήστες, βιομηχανικές μηχανές και διακομιστές υπολογιστικού νέφους στέλνουν και λαμβάνουν δεδομένα. Προκειμένου να ανταποκριθεί στις απαιτήσεις του International Mobile Telecommunication-2020 (IMT-2020), το Third Generation Partnership Project (3GPP) ανέπτυξε το πρότυπο 5G, το οποίο καθορίζει ρυθμό μετάδοσης δεδομένων 10 Gbps, που είναι 10 έως 100 φορές ταχύτερος από τα προηγούμενα πρότυπα 4G. Σε σύγκριση με το πρωτόκολλο 4G LTE, αυτό το πρότυπο απαιτεί επίσης 1000 φορές αύξηση του εύρους ζώνης ανά μονάδα επιφάνειας για να επιτρέψει τη μέγιστη αύξηση 100 φορές στον αριθμό των συσκευών που είναι συνδεδεμένες στην περιοχή. Ταυτόχρονα, ο οργανισμός επιμένει στην επίτευξη 99,999% διαθεσιμότητας δικτύου με ταυτόχρονη μείωση της κατανάλωσης ενέργειας των σταθμών βάσης και των συνδεδεμένων συσκευών.
Μέχρι τα μέσα του 2025, θα υπάρχουν πάνω από 2,25 δισεκατομμύρια συνδέσεις 5G παγκοσμίως, με πάνω από 182 εκατομμύρια στη Βόρεια Αμερική. Τώρα, οι αρχιτέκτονες δικτύων έχουν στρέψει την προσοχή τους σε αυτόνομες συσκευές (SA), οι οποίες υποστηρίζουν μόνο συχνότητες και πρωτόκολλα 5G, μπορούν να επιτύχουν μεγαλύτερες ταχύτητες μεταφόρτωσης και λήψης και υποστηρίζουν προηγμένη βιομηχανική επικοινωνία Internet of Things (IIoT) και μηχανή με μηχανή (M2M), με καθυστέρηση δικτύου έως και 1 ms.
Η ανάπτυξη νέων συσκευών για την κατασκευή υποδομής 5G έχει τονώσει τη ζήτηση για διάφορα ηλεκτρονικά εξαρτήματα, συμπεριλαμβανομένων των πανταχού παρόντων πυκνωτών. Σε εφαρμογές 5G, οι πυκνωτές είναι ευέλικτες συσκευές που μπορούν να φιλτράρουν ανεπιθύμητες συχνότητες και να εξαλείψουν τις παρεμβολές ραδιοσυχνοτήτων, να συνδυάζονται με επαγωγείς για τη ρύθμιση των κεραιών, να αποσυνδέουν τις ράγες ισχύος για να σταθεροποιούν τα επίπεδα τάσης και να εξισορροπούν τις συνδέσεις κεραίας. Κατά το σχεδιασμό συσκευών 5G και κυψελωτών σταθμών βάσης, οι μηχανικοί πρέπει να επιλέξουν κατάλληλους πυκνωτές για να ανταποκρίνονται στις συγκεκριμένες απαιτήσεις απόδοσης, μεγέθους και κόστους κάθε εφαρμογής.
Πυκνωτές για εφαρμογές κεραίας 5G
Οι κεραίες της υποδομής 5G υποστηρίζουν τρεις ζώνες συχνοτήτων σε περιοχές υψηλότερης ραδιοσυχνότητας: τη ζώνη χαμηλής συχνότητας κάτω από 2 GHz, τη ζώνη μεσαίας συχνότητας μεταξύ 2 GHz και 6 GHz και τη ζώνη υψηλής συχνότητας μεταξύ 24 GHz και 100 GHz. Συνδυάζοντας κεραμικούς πυκνωτές πολλαπλών στρωμάτων (MLCC) με επαγωγείς για να σχηματιστεί ένας ταλαντωτής κεραίας, είναι δυνατός ο συντονισμός σε συγκεκριμένες ραδιοσυχνότητες. Οι πυκνωτές της υποδομής 5G πρέπει να μπορούν να χειρίζονται υψηλότερες συχνότητες του πρωτοκόλλου (Εικόνα 1).
Εφαρμογή του MLCC στο πεδίο επικοινωνίας RF
Εικόνα 1: Το MLCC χρησιμοποιείται ευρέως στον τομέα της επικοινωνίας RF. Οι μηχανικοί πρέπει να επιλέξουν προσεκτικά πυκνωτές για να διαχειριστούν τα υψηλότερα ρεύματα ραδιοσυχνοτήτων στην υποδομή 5G. (Πηγή εικόνας: KEMET Corporate)
Οι πυκνωτές της σειράς HiQ CBR της KEMET (Εικόνα 2) είναι ένας από αυτούς. Η χωρητικότητα αυτής της σειράς πυκνωτών κυμαίνεται από 0,1 pF έως 100 pF και μπορεί να λειτουργήσει για μεγάλο χρονικό διάστημα στην περιοχή συχνοτήτων από 1 MHz έως 50 GHz χωρίς υπερθέρμανση ή απώλεια χαρακτηριστικών χωρητικότητας. Λόγω της χρήσης διηλεκτρικού κατηγορίας I, οι πυκνωτές HiQ CBR μπορούν να λειτουργήσουν σε ένα εύρος θερμοκρασιών από -55 ° C έως +125 ° C με αλλαγή χωρητικότητας μικρότερη από ± 30 ppm/° C. Μέσα σε ένα εύρος τάσης DC από 6,3 V έως 500 V, αυτός ο πυκνωτής μπορεί επίσης να διατηρήσει πολύ σταθερή απόδοση.
Πυκνωτής KEMET HiQ CBR
Εικόνα 2: Οι πυκνωτές HiQ CBR είναι MLCC σχεδιασμένοι για υψηλότερες συχνότητες που χρησιμοποιούνται στην υποδομή 5G. Αυτή η συσκευή επιφανειακής τοποθέτησης (SMD) χρησιμοποιεί κεραμικό διηλεκτρικό Κατηγορίας Ι, σε συνδυασμό με αγωγούς από βασικό μέταλλο και διαθέτει ακραία καπάκια με επικάλυψη κασσίτερου ματ. (Πηγή εικόνας: KEMET Corporation)
Οι πυκνωτές HiQ CBR αποτελούνται από πολλαπλά στρώματα ηλεκτροδίων βασικού μετάλλου (Εικόνα 3). Το υλικό του ηλεκτροδίου είναι χαλκός και κάθε στρώμα ηλεκτροδίου διαχωρίζεται και ενσωματώνεται με κεραμικό υλικό. Το κεραμικό υλικό εδώ είναι διηλεκτρικό CaZrO3 κατηγορίας I C0G. Το μεταλλικό ακραίο καπάκι χρησιμοποιείται ως το ηλεκτρικό τμήμα σύνδεσης του ηλεκτροδίου, καθιστώντας εύκολη τη συγκόλληση της συσκευής επιφανειακής τοποθέτησης (SMD) στην πλακέτα τυπωμένου κυκλώματος (PCB).
Εσωτερικό στρώμα ηλεκτροδίου MLCC ενσωματωμένο με κεραμικό διηλεκτρικό
Εικόνα 3: Το εσωτερικό στρώμα ηλεκτροδίου του MLCC (όπως τα προϊόντα της σειράς HiQ CBR) είναι ενσωματωμένο σε κεραμικό διηλεκτρικό, με μεταλλικές συνδέσεις στα ακραία καπάκια. (Πηγή εικόνας: KEMET Corporation)
Χάρη στο υλικό και τη δομή τους, οι πυκνωτές HiQ CBR έχουν χαμηλή απόδοση απώλειας, που αντιπροσωπεύεται από τον παράγοντα ποιότητας Q, ο οποίος είναι το αντίστροφο του συντελεστή διάχυσης (DF). Κατά τη δοκιμή πυκνωτών HiQ CBR με τιμή χωρητικότητας 30 pF ή υψηλότερη υπό συνθήκες 1 MHz ± 100 kHz και 1,0 ± 0,2 VRMS, η τιμή Q τους είναι μεγαλύτερη ή ίση με 1000. Για πυκνωτές με χαμηλότερες τιμές χωρητικότητας σε αυτήν τη σειρά προϊόντων, όπου η τιμή χωρητικότητας είναι Q = 40C.
Όταν σχεδιάζουν ηλεκτρονικά προϊόντα για εφαρμογές ραδιοσυχνοτήτων υψηλής συχνότητας, οι μηχανικοί αναζητούν επίσης πυκνωτές με χαμηλή αντίσταση ισοδύναμης σειράς (ESR) και χαμηλή ισοδύναμη σειρά επαγωγής (ESL), που μπορούν να βοηθήσουν στην επίτευξη υψηλής αυτοσυντονιστικής συχνότητας (SRF). Το SRF είναι η συχνότητα στην οποία αντηχεί ένας πυκνωτής, με αποτέλεσμα να χάνει χωρητικότητα και να λειτουργεί ως επαγωγέας, επομένως το SRF πρέπει να είναι πολύ υψηλότερο από τη συχνότητα λειτουργίας. Το εύρος SRF των πυκνωτών HiQ CBR είναι από 600 MHz (πυκνωτές 100 pF) έως 12000 MHz (πυκνωτές 0,1 pF).
Τα ακραία καλύμματα των πυκνωτών HiQ CBR επεξεργάζονται με ματ κασσίτερο και μπορούν να συγκολληθούν σε τυπικές πλακέτες τυπωμένου κυκλώματος. Αυτός ο τύπος πυκνωτή έχει κοινά μεγέθη περιβλήματος, συμπεριλαμβανομένων των 0201 (0,2 "x 0,1"), 0402 (0,4 "x 0,2"), 0603 (0,6 "x 0,3") και 0805 (0,8 "x 0,5"). Αυτές οι συσκευές έχουν περάσει πιστοποίηση χωρίς μόλυβδο και συμμορφώνονται με τους κανονισμούς RoHS.
Με τα μοναδικά χαρακτηριστικά απόδοσης και τις εξωτερικές τους διαστάσεις, οι πυκνωτές της σειράς HiQ CBR διαδραματίζουν καλό ρόλο σε σταθμούς βάσης κινητής τηλεφωνίας 5G, δίκτυα επικοινωνίας, ενισχυτές ισχύος RF (PA), ασύρματα τοπικά δίκτυα (LAN), δίκτυα παγκόσμιου συστήματος εντοπισμού θέσης (GPS) και επικοινωνία Bluetooth. Αυτή η σειρά πυκνωτών μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για επεξεργασία σήματος όπως μπλοκάρισμα DC, φιλτράρισμα, αντιστοίχιση σύνθετης αντίστασης, σύζευξη και παράκαμψη.
Για να μειώσουν τις παρεμβολές και το θόρυβο του σήματος, οι σχεδιαστές μπορούν να προσθέσουν παρόμοιο KEMET FLEX SUPPRESSOR ® Αυτό το σύνθετο υλικό πολυμερούς μετάλλου σε σχήμα φύλλου ή ρολού (Εικόνα 4) περιέχει μαγνητικά σωματίδια μεγέθους μικρομέτρων διασκορπισμένα σε εύκαμπτο πολυμερές υπόστρωμα για την καταστολή ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων ή συντονισμών, τη βελτίωση της μαγνητικής ροής στις ηλεκτρονικές συσκευές ή τη μείωση της συχνότητας. 3 GHz έως 40 GHz.