Depuis sa promotion en 2018, le protocole de communication par radiofréquence (RF) cellulaire de 5e génération (5G) promet d'améliorer considérablement la manière dont les utilisateurs individuels, les machines industrielles et les serveurs de cloud computing envoient et reçoivent des données. Afin de répondre aux exigences des télécommunications mobiles internationales-2020 (IMT-2020), le projet de partenariat de troisième génération (3GPP) a développé la norme 5G, qui spécifie un débit de transmission de données de 10 Gbit/s, soit 10 à 100 fois plus rapide que les normes 4G précédentes. Par rapport au protocole 4G LTE, cette norme nécessite également une bande passante multipliée par 1 000 par unité de surface pour permettre une augmentation maximale de 100 fois du nombre d'appareils connectés dans la zone. Dans le même temps, l'organisation insiste pour atteindre une disponibilité du réseau de 99,999 % tout en réduisant la consommation d'énergie des stations de base et des appareils connectés.
D’ici mi-2025, il y aura plus de 2,25 milliards de connexions 5G dans le monde, dont plus de 182 millions en Amérique du Nord. Désormais, les architectes de réseaux se tournent vers les appareils autonomes (SA), qui ne prennent en charge que les fréquences et les protocoles 5G, peuvent atteindre des vitesses de téléchargement et de téléchargement plus rapides et prendre en charge l'Internet industriel avancé des objets (IIoT) et la communication machine à machine (M2M), avec une latence réseau aussi faible que 1 ms.
Le développement de nouveaux dispositifs pour la construction d’infrastructures 5G a stimulé la demande de divers composants électroniques, notamment des condensateurs omniprésents. Dans les applications 5G, les condensateurs sont des dispositifs polyvalents qui peuvent filtrer les fréquences indésirables et éliminer les interférences radio, s'associer à des inductances pour réguler les antennes, découpler les rails d'alimentation pour stabiliser les niveaux de tension et équilibrer les connexions d'antenne. Lors de la conception d'appareils 5G et de stations de base cellulaires, les ingénieurs doivent choisir des condensateurs adaptés pour répondre aux exigences spécifiques en matière de performances, de taille et de coût de chaque application.
Condensateurs pour applications d'antennes 5G
Les antennes de l'infrastructure 5G prennent en charge trois bandes de fréquences dans les régions RF supérieures : la bande basse fréquence inférieure à 2 GHz, la bande moyenne fréquence entre 2 GHz et 6 GHz et la bande haute fréquence entre 24 GHz et 100 GHz. En associant des condensateurs céramiques multicouches (MLCC) à des inductances pour former un oscillateur d'antenne, il est possible de s'accorder sur des fréquences radio spécifiques. Les condensateurs de l'infrastructure 5G doivent être capables de gérer des fréquences plus élevées du protocole (Figure 1).
Application du MLCC dans le domaine de la communication RF
Figure 1 : MLCC est largement utilisé dans le domaine de la communication RF. Les ingénieurs doivent sélectionner soigneusement les condensateurs pour gérer les courants RF plus élevés dans l’infrastructure 5G. (Source de l'image : KEMET Entreprise)
Les condensateurs de la série HiQ CBR de KEMET (Figure 2) en font partie. La capacité de cette série de condensateurs varie de 0,1 pF à 100 pF et peut fonctionner pendant une longue période dans la plage de fréquences de 1 MHz à 50 GHz sans surchauffe ni perte des caractéristiques de capacité. Grâce à l'utilisation d'un diélectrique de classe I, les condensateurs HiQ CBR peuvent fonctionner dans une plage de températures de -55 °C à +125 °C avec un changement de capacité inférieur à ± 30 ppm/°C. Dans une plage de tension continue de 6,3 V à 500 V, ce condensateur peut également maintenir des performances très stables sans vieillissement.
Condensateur KEMET HiQ CBR
Figure 2 : Les condensateurs HiQ CBR sont des MLCC conçus pour les fréquences plus élevées utilisées dans l'infrastructure 5G. Ce dispositif à montage en surface (CMS) utilise un diélectrique en céramique de classe I, associé à des conducteurs en métal de base, et comporte des embouts à revêtement en étain mat. (Source de l'image : KEMET Corporation)
Les condensateurs HiQ CBR sont composés de plusieurs couches d'électrodes en métal de base (Figure 3). Le matériau de l'électrode est du cuivre et chaque couche d'électrode est séparée et incrustée d'un matériau céramique. Le matériau céramique ici est un diélectrique CaZrO3 C0G de classe I. L'embout métallique est utilisé comme pièce de connexion électrique pour l'électrode, ce qui facilite le soudage du dispositif de montage en surface (SMD) sur la carte de circuit imprimé (PCB).
Couche MLCC d'électrode interne intégrée avec un diélectrique en céramique
Figure 3 : La couche d'électrode interne du MLCC (tels que les produits de la série HiQ CBR) est intégrée dans un diélectrique en céramique, avec des connexions métalliques aux embouts. (Source de l'image : KEMET Corporation)
Grâce à son matériau et à sa structure, les condensateurs HiQ CBR ont de faibles performances de perte, représentées par le facteur de qualité Q, qui est l'inverse du facteur de dissipation (DF). Lors du test de condensateurs HiQ CBR avec une valeur de capacité de 30 pF ou plus dans des conditions de 1 MHz ± 100 kHz et 1,0 ± 0,2 VRMS, leur valeur Q est supérieure ou égale à 1 000. Pour les condensateurs avec des valeurs de capacité inférieures dans cette série de produits, Q = 400 + 20 C, où C est la valeur de capacité.
Lors de la conception de produits électroniques pour des applications RF haute fréquence, les ingénieurs recherchent également des condensateurs avec une faible résistance série équivalente (ESR) et une faible inductance série équivalente (ESL), qui peuvent aider à atteindre une fréquence de résonance propre (SRF) élevée. SRF est la fréquence à laquelle un condensateur résonne, lui faisant perdre sa capacité et agir comme un inducteur, donc SRF doit être beaucoup plus élevé que la fréquence de fonctionnement. La gamme SRF de condensateurs HiQ CBR s'étend de 600 MHz (condensateurs 100 pF) à 12 000 MHz (condensateurs 0,1 pF).
Les embouts des condensateurs HiQ CBR sont traités avec de l'étain mat et peuvent être soudés sur des circuits imprimés standard. Ce type de condensateur a des tailles de boîtier courantes, notamment 0201 (0,2 "x 0,1"), 0402 (0,4 "x 0,2"), 0603 (0,6 "x 0,3") et 0805 (0,8 "x 0,5"). Ces appareils ont passé la certification sans plomb et sont conformes à la réglementation RoHS.
Avec leurs caractéristiques de performance uniques et leurs dimensions externes, les condensateurs de la série HiQ CBR jouent un rôle important dans les stations de base cellulaires 5G, les réseaux de communication, les amplificateurs de puissance RF (PA), les réseaux locaux sans fil (LAN), les réseaux de système de positionnement global (GPS) et la communication Bluetooth. Cette série de condensateurs peut également être utilisée pour le traitement du signal tel que le blocage CC, le filtrage, l'adaptation d'impédance, le couplage et le contournement.
Pour réduire les interférences et le bruit du signal, les concepteurs peuvent ajouter un KEMET FLEX SUPPRESSOR ® similaire. Ce matériau composite métallique polymère en forme de feuille ou de rouleau (Figure 4) contient des particules magnétiques de taille micrométrique dispersées dans un substrat polymère flexible pour supprimer les ondes ou résonances électromagnétiques, améliorer la convergence du flux magnétique ou réduire le bruit généré par les appareils électroniques dans la gamme de fréquences 5G de 3 GHz à 40 GHz.