Periodico bimestrale
Anno XIX, numero 87
Lug./Ago. 2018
ISSN 1128-3874
METODOLOGIA

Il futuro del 5G nasce da connessioni invisibili

Sarah Fields

Signal Microwave utilizza la simulazione per progettare connettori specializzati per applicazioni RF ad alta velocità.

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Con l’aumento degli utenti di telefonia mobile e la crescente richiesta di un’alta velocità di comunicazione, le aziende e i gruppi industriali stanno lavorando giorno e notte per soddisfare le nuove esigenze. La rete 5G mira a raggiungere una velocità 100 volte superiore al 4G LTE e ad aumentare di 10 volte le velocità di connessione a banda larga. “Ci sono moltissimi aspetti in rapida evoluzione che devono essere coordinati per poter trasformare il 5G da sogno in realtà”, dice Bill Rosas, cofondatore di Signal Microwave. “Chi si trova in prima linea non soltanto deve implementare il 5G, ma deve anche pensare a tutto il resto, da come testare le reti a come aggiornare le interconnessioni nei sistemi”. I piccoli dettagli dei connettori richiedono un’attenzione notevole da parte del dipartimento R&D. Questi componenti elettromagnetici sono indispensabili e vengono utilizzati per connettere le terminazioni elettriche, che trasferiscono l’energia elettromagnetica da una linea di trasmissione a un altro componente, che a sua volta la ritrasmetterà o la interpreterà. I connettori sono presenti in tutti i dispositivi e i sistemi elettronici e la loro precisione è fondamentale per i circuiti che trasmettono le informazioni, a maggior ragione con l’aumento delle velocità di trasferimento dei dati. Eric Gebhard e Bill Rosas hanno fondato Signal Microwave per fornire connettori specializzati al mercato “on demand” legato all’integrità del segnale. Anticipando la richiesta di connettori ottimizzati a RF, microonde e onde millimetriche per i circuiti destinati a trasmettere a velocità di trasferimento dati sempre più elevate, Signal Microwave supporterà lo sviluppo di un futuro a 5G.

La complessità di frequenze più elevate

Chi lavora sui connettori RF (a radiofrequenze) si scontra con una serie di ostacoli complessi, poiché è necessario rispondere a vincoli sulla geometria, sulle dimensioni e sulla trasmissione, assicurando nello stesso tempo al connettore l’adattamento con il resto della linea di trasmissione. “I produttori di componenti sono stati molto veloci a offrire prodotti per applicazioni 5G”, commenta Rosas. “Ma la vera opportunità è offrire componenti che siano altamente ottimizzati”.
Con l’aumento della frequenza, mantenere l’impedenza stabile diventa più complesso, perché piccole anomalie nella geometria o nei materiali selezionati possono risultare amplificate. La Figura 1 mostra la fotografia di un connettore RF progettato per un’applicazione 5G in fase di sviluppo. Gebhard e Rosas volevano scoprire come questi componenti critici dell’infrastruttura 5G potessero essere ulteriormente ottimizzati grazie alla simulazione. I clienti di Signal Microwave operano in settori molti diversi: questi includono lo sviluppo di applicazioni ad alta frequenza, da 40 GHz a 110 GHz, per il settore della comunicazione, per i consumi di massa e per l’ambito militare.

Progettare un connettore RF

La simulazione multifisica consente a Eric e al suo team di rispondere in breve tempo alle sfide di progettazione che si presentano insieme a ogni nuovo cliente. “Il software può interfacciarsi con altri strumenti di modellazione: questo ha permesso al nostro team di sviluppare rapidamente connettori ottimizzati capaci di rispondere ai requisiti specifici dei diversi mercati rappresentati dai nostri clienti”, spiega Gebhard. Questo approccio riduce il time to market, i costi complessivi di sviluppo e l’investimento richiesto, consentendo ai progettisti dei dispositivi di concentrarsi su altri aspetti critici del progetto, consapevoli di potersi fidare serenamente dei componenti di connessione. In poche parole, il progettista di un connettore elettrico prende una parte meccanica e la trasforma in una linea di trasmissione. Lo scopo della progettazione di un connettore RF è costruire un componente elettricamente invisibile, rendendolo indistinguibile dal resto della linea di trasmissione: questo significa rispettare dei requisiti minimi per la resistenza e la perdita di energia. “Abbiamo bisogno di ridurre al minimo il disadattamento che causa fenomeni di riflessione, da cui derivano distorsioni o un segnale più debole”, continua Gebhard. La simulazione rappresenta un modo per ottenere questo risultato prima ancora della produzione e dei test.


 

Figura 1: Dettaglio della launch transition (in alto). Una scheda di verifica completa utilizzata dai tecnici per costruire sistemi 5G (in basso).

Verso una connessione perfetta, grazie alla simulazione

I clienti di Signal Microwave richiedono parametri geometrici specifici per una parte del connettore, oltre a una impedenza predeterminata, che poi influenza il resto del progetto. Gebhard e Rosas hanno scelto un approccio olistico alla progettazione: considerano i requisiti per la scheda elettronica e per il dispositivo nel loro insieme, prima ancora di cominciare il progetto del connettore.
Di solito il team inizia a costruire la geometria con Solid Edge® e la importa in COMSOL Multiphysics®, dove poi utilizza la funzionalità di modellazione RF per analizzare e ottimizzare il progetto.
Grazie alla simulazione, Gebhard ha potuto calcolare il Rapporto di Onda Stazionaria (Voltage Standing Wave Ratio, VSWR), la riflessione e le perdite di inserzione, ovvero l’energia persa a causa del disadattamento o di discontinuità impreviste (un valore che deve essere ridotto il più possibile). Per esempio, il rapporto di onda stazionaria (VSWR) misurato per una scheda elettronica di test con i componenti di Signal Microwave corrispondeva ai risultati della simulazione e risultava inferiore a 1.5:1, indicando perdita e riflessione sufficientemente contenute (ved. Figura 2, in alto). È stato possibile stabilire che le perdite non erano elevate e crescevano gradualmente con l’aumentare della frequenza (ved. Figura 2, in basso). Con la simulazione multifisica, il team di Signal Microwave ha potuto creare un portfolio di edge connectors privi di saldature, caratterizzati da riflessioni minime, caratteristica che può essere estesa all’ambito delle onde millimetriche.

 

 

 

Figura 2: Misure del rapporto di onda stazionaria (VSWR) (in alto) e perdita d’inserzione, con valore di S21 (dB), per una scheda elettronica di test con i componenti di Signal Microwave (in basso).

I connettori edge-launch

Gebhard ha modellato anche due connettori edge-launch, eccitati e chiusi su due porte coassiali concentrate da 50 ohm. In questo esempio, la guida d’onda coplanare (Grounded Coplanar Waveguide, GCPW) è stata costruita con un substrato di 8 millimetri con costante dielettrica di 3.55. I piani di massa della CPW si connettono al piano di massa inferiore tramite via metallizzati (ved. Figura 3).
“Per rendere elettricamente invisibile un connettore, riduciamo al minimo la riflessione, definita da parametri di scattering, concentrandoci sulle discontinuità geometriche”, spiega Gebhard.   
Oltre a modificare la geometria per ridurre al minimo la riflessione, Gebhard può anche ottimizzare i materiali dielettrici per raggiungere l’impedenza desiderata. In certi casi, può utilizzare COMSOL per analizzare ulteriori aspetti strutturali, come la forza minima necessaria per rimuovere il pin dal main frame del connettore.

Molto vicini alla realtà

Gebhard ha poi sviluppato dei connettori blind mate a 70 GHz, utilizzati per i test automatizzati delle attrezzature. Dopo aver creato il modello RF all’interno del software, ha fatto costruire i prototipi. Con sua grande sorpresa, ha constatato che i prototipi dei connettori non funzionavano come previsto.

 

 

 

Figura 3: Immagine tratta dalla simulazione di una scheda elettronica di test progettata per applicazioni di interconnessione ad alta velocità combinate con 5G e SatCom. In alto, il contour plot e il grafico a frecce della norma del campo elettrico in scala dB a 20 GHz (in alto). Dettaglio del primo grafico (a sinistra). Grafico di isosuperficie della norma del campo elettrico in scala dB nella parte alta di una scheda elettrica a 1 GHz (a destra).

Gebhard ha allora analizzato nel dettaglio il prototipo che era stato costruito e ha notato che presentava un piccolo difetto. Con un po’ di ingegneria forense, Gebhard ha ripreso il modello originale e l’ha modificato aggiungendo i difetti. Ed ecco che finalmente la simulazione ha dato gli stessi risultati della prova fisica! “Il progetto virtuale era corretto, ma i componenti non lo erano e non ce ne eravamo accorti. Dopo averlo testato e aver analizzato le parti nel dettaglio, abbiamo individuato il problema. Abbiamo quindi inserito l’errore nel modello virtuale e abbiamo constatato che ora i risultati corrispondevano a quanto avevamo visto. Si potrebbe dire che è stato un momento rivelatore. Soprattutto in questo caso, sono stato felice di vedere che i risultati della simulazione si avvicinavano tanto a quelli reali. Nel progetto di questo connettore RF avevamo aggiunto alcuni elementi unici ed eravamo molto curiosi di vedere quali sarebbero state le sue prestazioni”. L’assoluta precisione della simulazione ha permesso a Gebhard di progettare e costruire in piena libertà connettori su misura per specifiche applicazioni RF, riducendo il numero di prototipi da costruire e accelerando notevolmente i tempi di sviluppo.


Solid Edge è un marchio registrato di Siemens Product Lifecycle Management Software Inc. o di sue consociate negli Stati Uniti e in altri paesi.

 

 

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