Die wachsende Zahl vernetzter Geräte erhöht die Nachfrage nach Internetzugängen mit hoher Bandbreite und treibt den Einsatz von 5G voran. Die Frequenzbänder von 5G erstrecken sich bis in das mmWave-Spektrum, wodurch die elektrischen, mechanischen und umwelttechnischen Eigenschaften der RF-Steckverbinder für die Gesamtleistung noch entscheidender werden. Als Reaktion auf die sich ändernden Marktanforderungen, die durch die 5G-Einführung vorangetrieben wurden, hat Johnson aktiv eine Reihe neuer Produkte auf den Markt gebracht, die höhere Frequenzen und kleinere Größen unterstützen.

5G ist da

5G ist da! Die Betreiber kündigten Pläne für die Erprobung und Einführung von Diensten Ende 2018 an, und der vollständige Ausbau des 5G-Netzes soll im Jahr 2020 beginnen. Die Branche bereitet sich auf diese Einführung vor. Gerätehersteller wie Qualcomm bringen 5G-Modems (Snapdragon) auf den Markt, Hersteller von Prüfgeräten aktualisieren ihre Portfolios und eine Reihe von Unternehmen wie Huawei, Nokia und Ericsson arbeiten an Antennen und der Richtstrahltechnologie, die für die MIMO-Funktionalität von 5G erforderlich ist. In den verschiedenen Bereichen der 5G-Technologie sind RF-Steckverbinder allgegenwärtig und die Anforderungen von mmWave-Frequenzen stellen hohe Anforderungen an die Präzision ihrer Herstellung. Der allgegenwärtige Charakter von Mobilfunknetzen drückt auch auf die Kosten dieser Steckverbinder, deren Verwendung historisch auf Militär- sowie Luft- und Raumfahrtanwendungen beschränkt war. Johnson Steckverbinder sind seit über 50 Jahren führend bei RF-Anwendungen und haben frühere Generationen von drahtlosen Netzwerken unterstützt. In diesem Artikel betrachten wir 5G, die Anforderungen, die es an die Verbindungstechnologie stellt, und wie Johnson mit neuen Produkteinführungen darauf reagiert.

Die Einführung von 5G wird durch die wachsende Zahl von Geräten vorangetrieben, die einen Internetzugang mit hoher Bandbreite benötigen. Dies setzt die bestehenden Netze unter Druck. 5G wird dieses Problem durch die Nutzung von Frequenzen im Bereich von unter 1 GHz bis hin zum 26-GHz-Band und darüber hinaus lösen. Die von 5G genutzte Gesamtbandbreite wird weitaus größer sein, als das von 4G und früheren drahtlosen Netzwerktechnologien genutzte Frequenzspektrum.

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5G-Spektrumzuweisung

Über die Zuweisung von Frequenzen entscheidet die Weltfunkkonferenz, die alle drei bis vier Jahre zusammentritt. Die WRC-19 findet vom 29. Oktober bis zum 22. November 2019 in Sharm el-Sheikh, Ägypten statt. In der Zwischenzeit wird jedoch daran gearbeitet, das Spektrum für 5G zu vereinbaren, wobei Trägerfrequenzen wie 24, 28 und 38 GHz erwartet werden. Bei diesen Frequenzen sind die Latenzen ebenfalls extrem niedrig, weniger als 1 ms werden von der ITU-R-Spezifikation M.2083 [16] angestrebt (Abbildung 1).

Aus der Spezifikation geht hervor, dass 5G-Breitbandverbindungen Downlink-Geschwindigkeiten von bis zu 20 Gbit/s und Latenzen von nur 1 ms bieten sollen. 5G wird zudem einen sprunghaften Anstieg der über drahtlose Systeme übertragenen Datenmenge ermöglichen, da bei den für 5G vorgesehenen höheren Frequenzen mehr Bandbreite zur Verfügung steht.


HF-Verbindungsdiagramme

Abbildung 1: Technische Anforderungen an 5G (Quelle GSMA)

Quelle: https://www.gsma.com/futurenetworks/wp-content/uploads/2018/04/Road-to-5G-Introduction-and-Migration_FINAL.pdf

Anwendungsfälle und das Massive Internet of Things

Die Telekommunikationsbranche bezeichnet dies inzwischen als Massive Internet of Things oder MIoT, während die ITU-R IMT-2020 (5G) drei Anwendungsfallklassen umfasst: Enhanced Mobile Broadband (eMBB), Massive Machine Type Communications (mMTC) und Ultra-Reliable and Low Latency Communications (URLLC). Die für 5G-Netze zugewiesenen Frequenzen werden in drei Bänder eingeteilt, die sich an den Klassen der Anwendungsfälle orientieren, wie in Abbildung 2 dargestellt.

Anwendungen innerhalb jeder Anwendungsfallklasse haben unterschiedliche Anforderungen, und die erweiterten Netzwerkverwaltungsfunktionen von 5G, einschließlich Network Slicing, werden es Betreibern ermöglichen, auf die Anwendung zugeschnittene Dienste anzubieten. Selbstfahrende Autos benötigen beispielsweise extrem schnelle Verbindungen mit geringer Latenz, um die Echtzeitnavigation zu unterstützen. Andererseits übermitteln viele IoT-Sensoren Daten in regelmäßigen Intervallen und benötigen keine hohen Geschwindigkeiten, sodass eine niedrigere Serviceklasse geeignet wäre.


HF-Verbindungsdiagramme

Abbildung 2: 5G Spectrum Bands allocated to 5G use cases (Source Huawei)


Die 5G zugewiesenen höheren Frequenzen mit ihren entsprechend kurzen Wellenlängen ermöglichen die Verwendung kleinerer Antennen, wodurch Massive-MIMO-Techniken verwendet werden können, um die Kapazität einer drahtlosen Verbindung zu vervielfachen, ohne dass ein größeres Spektrum erforderlich ist. Dies bedeutet zwar, dass mehr 5G-Basisstationen benötigt werden, um die erwartete Abdeckung bereitzustellen, aber diese werden mehrere Antennen in jeder Basisstation verwenden, sodass 5G über 1.000 Geräte mehr pro Meter unterstützen kann als 4G. Dementsprechend werden 5G-Netze in der Lage sein, ultraschnelle Daten mit hoher Präzision und geringer Latenz an sehr viel mehr Nutzer zu übertragen - und damit den wachsenden Bedarf an Hochgeschwindigkeitsdaten abzudecken, der durch neu entstehende drahtlose Anwendungen wie das MIoT vorangetrieben wird.

Die mmWave-Region

Das Entwerfen von HF-Geräten für den mmWave-Bereich des Spektrums bringt eine Reihe von Möglichkeiten und Herausforderungen mit sich. Wie bereits erwähnt, ermöglichen höhere Frequenzen kleinere Antennen und damit mehr Geräte pro Basisstation. Technologieentwicklungen wie Nanometer-CMOS ermöglichen nicht nur eine drastische Größenreduzierung vieler Geräte, die mit 5G-Netzwerken verbunden werden (z. B. IoT-Sensoren), sondern ermöglichen auch eine höhere Antennendichte. Dies führt zu einer entsprechenden Größenreduzierung von Basisstationskomponenten. Diese Trends zu höheren Geschwindigkeiten, größerer Bandbreite, größerer Dichte und kleineren Abmessungen stellen besondere Anforderungen an die Verbindungstechnologie, die bei mmWave-Frequenzen für jedes elektronische Gerät oder System kritisch wird.

RF-Steckverbinder müssen elektromagnetische Energie von einer Übertragungsleitung auf die andere übertragen und dabei minimale Verluste und Reflexionen gewährleisten, sodass die Präzision ihrer Konstruktion entscheidend ist.

5G RF Connector Design Considerations

Mit dem Streben nach höheren Frequenzen, kleineren Grundflächen, einzigartigen Schnittstellen und besserer Leistung muss das Design von HF-Steckverbindern den Einschränkungen in Bezug auf Geometrie, Größe und Übertragungseigenschaften gerecht werden und gleichzeitig sicherstellen, dass die Impedanz des Steckverbinders mit der Impedanz der restlichen Übertragungsleitung übereinstimmt. Mit steigender Frequenz wird die Aufrechterhaltung der Impedanz immer komplexer. Die elektrischen, mechanischen und umgebungsbedingten Eigenschaften von HF-Steckverbindern spielen eine entscheidende Rolle bei der Gewährleistung von deren Leistung.

Zu den wichtigsten elektrischen Eigenschaften gehören Impedanz (normalerweise 50 Ohm), VSWR, PIM (Passive Intermodulation Distortion) und maximale Frequenz. VSWR ist von besonderer Bedeutung, da es bestimmt, wie viel einer elektromagnetischen Welle vom Steckverbinder reflektiert wird - was zu einem Signalverlust führt. VSWR variiert mit der Frequenz, kann aber über einen bestimmten Frequenzbereich auf einem flachen Linienwert gehalten werden, z. B. 1,3:1 bis zu 40 GHz.

Mechanische Eigenschaften wie Einrast- und Ausrastkraft, Drehmoment der Kupplungsmutter, Kontaktsicherheit und Dauerhaftigkeit (Anzahl der Steckzyklen) sind für die Gewährleistung der Stabilität einer Verbindung gleichermaßen wichtig. Unbeabsichtigte Lücken in der Verbindung aufgrund von Ausrichtungsfehlern können zu drastischen Änderungen der elektrischen Eigenschaften der Verbindung führen (Abbildung 3).


HF-Verbindungsdiagramme

Abbildung 3: Ausrichtung des RF-Steckverbinders


Schließlich müssen Umgebungseigenschaften wie Betriebstemperaturbereich, Feuchtigkeits- und Korrosionsbeständigkeit den Bedingungen entsprechen, unter denen die Steckverbinder eingesetzt werden.

5G-Steckverbinderlösungen

Die Steckverbindergröße ist angesichts des Trends zur Dichte in 5G-Netzen ein übergeordneter Parameter. Der 4,2-mm-SMA-Steckverbinder ist in HF-Implementierungen gut etabliert, und jetzt werden Subminiatur-Varianten immer häufiger, da die Frequenzen zunehmen und die Module kleiner werden. Tabelle 1 zeigt einige der wichtigsten Steckverbindertypen, die derzeit verwendet werden. Entwürfe für 5G-Anwendungen erfordern eine Vielzahl von Hochfrequenzsteckverbinder- und -adaptertypen, bis hin zu Adaptern, Lösungen mit mehreren Ports und Kabelkonfektionen in Reihenschaltung.

Mit über 50 Jahren Erfahrung in der Branche bietet Johnson auf dem globalen Markt eines der umfassendsten Sortimente an RF-Steckverbindern und nutzt seine Erfahrung und Ressourcen, um sein Produktsortiment zu entwickeln und zu erweitern, damit dieses den sich entwickelnden Anforderungen des 5G-Marktes gerecht wird. Das umfangreiche Sortiment an SMA-Steckverbindern mit 50-Ohm-Fassung von Johnson ist für bis zu 26,5 GHz ausgelegt und in Messing oder Edelstahl erhältlich. Das Sortiment unterstützt eine Reihe von Konfigurationen, einschließlich Platinenmontage (Durchgangs- und Oberflächenmontage), Endeinführung, Schottflansch-Montage und Kabel.

Als Reaktion auf die sich ändernden Marktanforderungen, die durch die 5G-Einführung vorangetrieben wurden, hat Johnson aktiv eine Reihe neuer Produkte auf den Markt gebracht, die höhere Frequenzen und kleinere Größen unterstützen, darunter:

  • 2,92-mm-Familie bis 40 GHz
  • 2,4-mm-Familie bis 50 GHz
  • 1,85-mm-Familie bis 67 GHz
  • Erweiterung der SMP-Familie bis 40 GHz
  • Erweiterung der SMPM-Familie bis 65 GHz
  • SMP 4-Port in Reihenschaltung bis 40 GHz

Mit Vertriebs-, Design- und Fertigungszentren in den Vereinigten Staaten und China ist Johnson ideal positioniert, um die Anforderungen des aufstrebenden 5G-Marktes zu erfüllen. Johnson wird weiterhin in sein Produktportfolio investieren, um den neuen Anforderungen von 5G-Netzen gerecht zu werden.


TYP BESCHREIBUNG GRÖSSE FREQUENZ ANZUGSMETHODE
SMA (Subminiatur Version A) Semipräziser Subminiatur-Steckverbinder für RF- und Mikrowellenanwendungen, der häufig für Frequenzen von bis zu 18 GHz und manchmal darüber hinaus verwendet wird. Erhältlich in einer Vielzahl von Formaten, Stecker, Buchse, gerade, rechtwinklig, Schottverschraubung, um die meisten Anforderungen zu erfüllen. 4,2 mm DC – 18 GHz, (26,5 GHz) Schraubgewinde
2,92 mm (K-Typ) Kleinere Variante auf SMA, die bis zu einer höheren Frequenz arbeitet 2,92 mm DC ‒ 46 GHz Schraubgewinde
2,4 mm Kleinere Variante auf SMA, die bis zu einer höheren Frequenz arbeitet 2,4 mm DC ‒ 50 GHz Schraubgewinde
1,85 mm (V-Typ) Kleinere Variante auf SMA, die bis zu einer höheren Frequenz arbeitet 1,85 mm DC ‒ 67 GHz Schraubgewinde
SMP Miniatursteckverbinder mit einer inneren Buchse-zu-Buchse-Komponente, die als Bullet bezeichnet wird, und zwei Außenpanel-, Schaltungs- oder kabelmontierte Fassungen , die als Ummantelungen bezeichnet werden. Lässt im Gegensatz zu Gewindesteckverbindern eine geringe radiale Fehlausrichtung während des Steckens zu. Zu den Anwendungen gehören Antennen, Breitband und Instrumentierung. 3,0 mm DC ‒ 40 GHz Stecken
SMPM 30 % kleiner als SMP, entwickelt für Anwendungen mit sehr hohen Frequenzen, bei denen Platz und Packungsdichte eine Rolle spielen. Zu den Anwendungen gehören Phasenarrays der nächsten Generation, Hochgeschwindigkeitstests für Halbleiter, kundenspezifische Entwicklungen 2,4 mm DC ‒ 65 GHz Aufschiebbares und aufschnappbares Verbindungssystem

Tabelle 1: Beispiele für RF-Steckertypen und Eigenschaften

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