5G y WiFi-6: métodos de desarrollo para el diseño de PCB

Internet es cada vez más rápido: 5G es una transmisión de datos en exteriores mil veces más potente y WiFi-6 es una tecnología muy similar para Wi-Fi local en interiores. ¿Qué significa para los diseñadores de PCB diseñar dispositivos para esta tecnología o hacer funcionar dispositivos en este entorno?

Muchas empresas esperan que la introducción generalizada de 5G y WiFi 6 abra nuevos mercados. Más dispositivos, más sensores y, por tanto, más información que analizar, procesar y transmitir. No sólo habrá aplicaciones que se apañen con pocos datos, como termostatos y controles de calefacción en el hogar. También habrá más aplicaciones de vídeo de alta resolución en las que habrá que transmitir imágenes 4k u 8k "sin problemas" en tiempo real. En este caso, los volúmenes de datos son enormes y los defectos en las vías de transmisión se harán "visibles" de inmediato. Si los sensores van a utilizarse para controlar el tráfico, las máquinas y las infraestructuras, el trayecto de transmisión debe ser estable y debe garantizarse un determinado rendimiento de transmisión.

En Alemania se están introduciendo mejoras en la infraestructura: la red troncal de Internet se equipa cada vez más con fibra óptica (por ejemplo, FTTH Fibre to the Home). Nuevos routers y repetidores establecen entonces la conexión WLAN en la banda de frecuencia de 2,4 GHz y 5 GHz con el cable de fibra óptica. La capacidad de conectar dispositivos "sin cables" de forma rápida y segura sustituirá cada vez más a las conexiones por cable en los últimos metros hasta los dispositivos finales.

En el futuro habrá dos normas nuevas y similares: Las conexiones exteriores serán a través de 5G y las interiores a través de WiFi-6. Durante el periodo de transición, los dispositivos tendrán que ser compatibles con versiones anteriores y también con estándares más lentos. Como las antenas múltiples y los rangos de frecuencia hacen más complejos los requisitos para los dispositivos, dentro de unos años habrá muchos aparatos, sobre todo en el sector de consumo, que solo sean compatibles con los nuevos estándares.

Las ventajas de 5G y WiFi 6 son un mayor ancho de banda, más abonados en una célula, menor latencia y más movilidad. Con un mayor ancho de banda, se pueden transmitir fácilmente datos de vídeo en resolución 4k u 8k. Esto cambiará la forma de ver la televisión con horarios fijos a bibliotecas multimedia con contenidos a la carta para streaming. Como cada vez es posible tener más participantes en una célula de teléfono móvil, que además es cada vez más pequeña, los espectadores de un estadio de eventos pronto podrán transmitir la acción en directo a sus amigos. Esto también cambiará en gran medida la presión sobre las emisoras de noticias en términos de puntualidad.

La menor latencia también permitirá el control seguro de máquinas y robots en tiempo real a través de la radio. Esto también dará lugar a más dispositivos IoT y más automatización en los hogares.

Las arquitecturas informáticas cambiarán. Si más dispositivos participan en el intercambio de datos por radio, habrá que analizar los datos y calcular las acciones correspondientes para su control. Para controlar las prioridades del tráfico, por ejemplo, si hay que dar paso libre a los bomberos con luces azules intermitentes, el estado de los semáforos y de los usuarios de la carretera debe registrarse, analizarse y controlarse de forma centralizada. Este ejemplo por sí solo demuestra que la comunicación por radio debe producirse en tiempo real y que la gran cantidad de datos debe cotejarse en un ordenador central de control del tráfico. Sin embargo, el coche autónomo debe tener la potencia de cálculo necesaria para poder frenar en caso de una situación peligrosa repentina y también avisar por radio a otros usuarios de la carretera que se encuentren cerca. Esto significa que la conexión de radio 5G también debe funcionar para los usuarios de la carretera en movimiento.

¿Qué significan estos cambios para los desarrolladores de hardware?

Para los futuros dispositivos, esto significa que se instalarán sensores más sensibles, la mayoría de los cuales tienen como fuente señales analógicas. Los proveedores suministrarán módulos con una interfaz digital o integrarán el sensor en un paquete de circuitos integrados.

Los módulos de sensores inteligentes no sólo medirán datos, sino que también los filtrarán y analizarán según las especificaciones y pondrán los resultados a disposición como información digital. Otros conceptos implican el envío de datos digitalizados a la nube, donde se evalúan y procesan mediante inteligencia artificial y los resultados se transmiten de vuelta.

Aumento del rendimiento por un factor de 1000 = 10 x 20 x 5 con 5G

Los sensores IoT sencillos (por ejemplo, termómetros de exterior) con una batería de larga duración sólo comunicarán ocasionalmente los valores medidos a la WLAN. Sin embargo, si los sensores forman parte de un sistema de control local, además de la antena habrá una CPU o DSP con memoria para controlar la evaluación y regulación local y comunicar estados.

Así pues, la variedad de soluciones y la complejidad de la electrónica no dejan de aumentar. La integración de unidades de radio que funcionan en la banda de frecuencias de GHz, sensores analógicos sensibles y procesadores digitales con memoria en una placa de circuito impreso plantea un reto en términos de calidad de la señal y comportamiento CEM. Con la demanda simultánea de miniaturización, funcionamiento con batería y menor consumo de energía, también entran en juego la integridad energética y las restricciones térmicas.

Estas cuestiones no deben ignorarse ni relegarse a un segundo plano. Como ya hemos visto con el último salto tecnológico de 3G a 4G, esto provoca una alteración de la estructura anterior de los proveedores. Esto se debe a que 3G y 4G no sólo supusieron una transmisión de datos más rápida, sino que también posibilitaron otros modelos de negocio. Así surgieron proveedores como Netflix, Google, Apple y Amazon. Otros proveedores que no aprovecharon las oportunidades que ofrecía la nueva tecnología perdieron importancia o desaparecieron por completo del mercado.

Hoy en día, los desarrolladores necesitan algo más que creatividad. Deben implicar al departamento de marketing y hacerle saber qué beneficios adicionales pueden aportarse a partir de los datos existentes con los dispositivos. El mercado de 5G y WiFi 6 se está expandiendo exponencialmente y volverá a cambiar de forma masiva nuestra vida cotidiana.

Fundamentos técnicos de 5G y WiFi 6

El enorme aumento de la velocidad de transmisión por un factor de hasta 1000 se debe esencialmente a tres enfoques:

• Una mayor densidad de células de radio con más puntos de acceso por zona permite multiplicar por 10 el caudal de datos.
• Las nuevas antenas MIMO (Multiple Input Multiple Output) pueden incluso utilizar beamforming para dirigir la dirección de transmisión directamente hacia objetos en movimiento y lograr una mayor eficiencia espectral por un factor de 20.
• Las frecuencias adicionales más altas (>24 GHz) en las que se pueden transmitir datos pueden multiplicar por 5 el rendimiento.

El resultado es un aumento teórico de 1000 veces el caudal de datos en comparación con la infraestructura actual.

Para los fabricantes de semiconductores, a los CMOS se añaden ahora nuevos materiales como SOI, GaAs y GaN. Los requisitos de calidad de los componentes SMD, laminados y paquetes de CI están aumentando para las aplicaciones de mayor frecuencia (5G: 24 GHz - 40 GHz y automoción: 77 GHz - 81 GHz).

GHz en placas de circuitos impresos

Las nuevas "interfaces aéreas" con baja latencia para conexiones masivas pueden realizarse con MIMO masivo o antenas de parche. Para ello se forman lóbulos de transmisión a partir de varias antenas. El desplazamiento de fase provoca interferencias intencionadas, que hacen que la forma de los lóbulos de antena
se amplifique por superposición en una dirección. La dirección del lóbulo de antena se puede alinear controlando diferentes fases de la misma señal procedente de cuatro antenas de parche, por ejemplo. Con el control adecuado, los lóbulos también pueden seguir objetos en movimiento. En lugar de distribuir una señal a las cuatro antenas del conjunto, también se pueden distribuir dos señales a dos pares de antenas. Esto permite que dos dispositivos (WiFi 6) o coches (5G) se comuniquen simultáneamente en la misma frecuencia en distintas direcciones sin que las señales interfieran entre sí. Esto aumenta la densidad de potencia.

Desafíos para las antenas

Para conectar antenas entre sí y formar un conjunto, la disposición geométrica de las antenas debe ser absolutamente precisa. Así, los lóbulos de transmisión pueden alinearse homogéneamente en el espacio. No sólo las geometrías de las antenas tienen que ser iguales, sino que las líneas de alimentación de las señales también tienen que estar sintonizadas para alta frecuencia.

Formación de haces con antenas MIMO

Incrustación dieléctrica en la gama HF (captura de pantalla)

Para el diseño de antenas se dispone del software AWR Microwave Office, en el que se puede definir la forma de la antena e intercambiarla bidireccionalmente con los datos de trazado en la herramienta PCB. Para calcular el comportamiento real, es necesario considerar no sólo las antenas, sino también las líneas de alimentación hasta la salida del amplificador. El comportamiento eléctrico de esta geometría con antenas, líneas de alimentación y posiblemente también vías puede extraerse y simularse con un solucionador de campos 3D como Clarity o HFSS.

El diseño de antenas es un proceso iterativo.

Son necesarios muchos compromisos para diseñar antenas de alto rendimiento en placas de circuito impreso. Esto se debe a que el tamaño de la antena está reñido con la miniaturización de los dispositivos y el espacio de instalación disponible. Para lograr un mejor rendimiento, se puede utilizar localmente en la PCB un prepeg con una permitividad εr diferente y un factor de pérdida de 0,002 como dieléctrico de incrustación para el rango de RF en la PCB. Estas incrustaciones ya no son un problema en la producción y sólo aumentan mínimamente los costes. El Allegro PCB Editor admite áreas con diferentes permitividades y diferentes factores de pérdida en una capa en el apilamiento de capas para dieléctricos de incrustación en el rango de HF.

Antena de parche en una placa de circuito impresoJuntocon la información de la carcasa mecánica, la posición de la antena y el control pueden optimizarse para obtener la máxima ganancia en ángulo y alcance.

Para proteger las líneas de alimentación de RF a las antenas de interferencias externas, las líneas pueden apantallarse mediante planos de tierra con vías de apantallamiento. La distancia entre las vías y el apantallamiento debe ser λ/6, es decir, un sexto de la longitud de onda utilizada. Una vez seleccionada la línea de RF, puede generarse automáticamente el patrón de vías. El apantallamiento se tiene en cuenta durante la extracción y la simulación 3D.

Más interferencias de otros dispositivos

Blindaje de los cables de RFCuandomás dispositivos se comunican a través de interfaces inalámbricas, también pueden producirse más interferencias en otros dispositivos. Por eso, el aumento de las densidades de potencia y la ampliación de la banda de frecuencias hacen que la inmunidad a las interferencias de otros dispositivos sea aún más importante. Incluso los desarrolladores que no tienen aplicaciones de RF en sus placas de circuito impreso deben tener en cuenta que éstas pueden ser perturbadas por otros dispositivos del exterior.

Las antenas de las placas de circuito impreso son estructuras de cobre por las que circula una corriente alterna que genera un campo electromagnético a determinadas frecuencias. Al mismo tiempo, las estructuras reciben ondas electromagnéticas a las mismas frecuencias y las convierten en corrientes. Este principio se aplica a todas las estructuras conductoras de la placa de circuito impreso. Las interferencias CEM no son otra cosa que la recepción no deseada de energía y su conversión en corrientes que perturban el comportamiento del circuito eléctrico. A medida que aumenta el número de interfaces inalámbricas, también lo hacen los requisitos de simulación y ensayo de las propiedades CEM, en particular la inmunidad a las interferencias de todos los componentes electrónicos.