קבלים הם רכיבי תכן עיקריים עבור תשתית טלקומוניקציה 5G

עוד לפני השקתו בשנת 2018, פרוטוקולי תקשורת בתדרי רדיו (RF) סלולריים מהדור החמישי (5G) הבטיחו שיפורים במספר סדרי-גודל באופן שבו משתמשים בודדים, מכונות תעשייתיות ושרתי מחשוב ענן שולחים ומקבלים נתונים. תקן 5G, כפי שנקבע על ידי 3rd Generation Partnership Project‏ (3GPP‏) כדי להתאים אותו לדרישות ה-International Mobile Telecommunications-2020‏ (IMT-2020‏), דורש קצבי נתונים של עד Gbps‏ 10‏, פי 10 עד 100 מהירים יותר לעומת תקני 4G‏ הקודם. הוא גם דורש רוחב-פס גדול פי אלף ליחידת שטח, מה שמאפשר עד פי 100 יותר התקנים מחוברים באזור זה בהשוואה לפרוטוקולי 4G LTE. במקביל, הוא גם דורש זמינות רשת של 99.999% וצריכת אנרגיה נמוכה יותר הן עבור תחנות הבסיס ברשת והן עבור ההתקנים המחוברים.

עד אמצע שנת 2025 היו מעל 2.25 מיליארד חיבורי 5G ברחבי העולם, כולל מעל 182 מיליון בצפון אמריקה. מתכנני רשתות עוברים לציוד עצמאי (SA) התומך רק בתדרים ובפרוטוקולים של 5G, ומציע מהירויות העלאה והורדה גבוהות יותר, כמו גם תמיכה באינטרנט של דברים תעשייתי (IIoT) מתקדם ובתקשורת מכונה-למכונה (M2M), עם שיהוי (Latency‏) רשת הנמוך עד כדי ms‏ 1‏.

פיתוח ציוד חדש לבניית תשתית 5G הגביר את הביקוש לרכיבים אלקטרוניים מכל הסוגים, כולל הקבלים הכה נפוצים. ביישומי 5G, קבלים מסננים תדרים לא-רצויים ומסירים הפרעות RF, מתחברים למשרנים כדי לכוון אנטנות, מבטלים צימוד כדי לייצב רמות מתח, ומאזנים חיבורי אנטנות, בין היתר. מהנדסים המתכננים התקנים התומכים ב-5G ותחנות בסיס סלולריות חייבים לבחור קבלים העומדים בדרישות הביצועים, הגודל והעלות של כל יישום.

קבלים עבור יישומי אנטנות 5G

אנטנות עבור תשתית 5G תומכות בשלושה תחומי תדרים באזור ה-RF הגבוה יותר: התחום הנמוך מתחת ל-GHz‏ 2‏, תחום הביניים מ-GHz‏ 2‏ עד GHz‏ 6‏, והתחום הגבוה מ-GHz‏ 24‏ עד GHz‏ 100‏. קבלים קרמיים רבי-שכבות (MLCCs) מתחברים ביחד עם משרנים ליצירת מתנדי אנטנה היכולים לכוון לתדרי רדיו ספציפיים. קבלים עבור תשתית 5G חייבים להיות מסוגלים להתמודד עם התדרים הגבוהים יותר של הפרוטוקול (איור 1).

איור 1: קבלי MLCC משמשים בכל ספקטרום תקשורת ה-RF. המהנדסים חייבים לבחור את הקבלים שלהם בקפידה כדי לנהל את זרמי ה-RF הגבוהים יותר של תשתית 5G. (מקור התמונה: תאגיד KEMET)

קו קבלים אחד כזה הוא סדרת HiQ-CBR‏ (איור 2) של KEMET‏. לרכיבים בסדרה זו ערכי קיבוליות הנעים בין pF‏ 0.1‏ עד pF‏ 100‏, והם מתוכננות עבור פעולה ארוכת-טווח בתדרים מ-MHz‏ 1‏ עד GHz‏ 50‏, ללא התחממות-יתר או אובדן תכונות הקיבוליות. מכיוון שקבלי HiQ-CBR משתמשים בחומר דיאלקטרי Class I‏, הם יכולים לפעול בטמפרטורות של C‏°‏55‏- עד C‏ִ°‏125‏+ עם שינויי קיבוליות של פחות מ-ppm/°C‏ 30‏±. ביצועי הקבל יציבים גם בתחומי מתחי DC‏ של V‏ 6.3‏ עד V‏ 500‏ ואינם חווים הזדקנות לאורך הזמן.

איור 2: קבלי HiQ-CBR הם קבלי MLCC שנועדו להקל על התדרים הגבוהים יותר המשמשים בתשתיות 5G. קבלים דיאלקטריים קרמיים Class I מתחברים עם מוליכי מתכת בסיס וכיפות קצה בגימור בדיל מאט בהתקני הרכבה משטחית (SMDs). (מקור התמונה: KEMET Corporation)

קבלי HiQ-CBR מורכבים מכמה שכבות של אלקטרודות מתכת בסיס (איור 3) - במקרה זה נחושת - המופרדות ומשובצות בתוך קרמיקה - במקרה זה _CaZrO3‏, דיאלקטרי Class I‏, C0G‏. כיפות קצה מתכת מעניקות חיבור חשמלי לאלקטרודות ומקלות על הלחמת התקן הרכבה-משטחית (SMD) זה על גבי לוח המעגלים המודפסים (PCB).

איור 3: MLCCs, כמו אלו בסדרת HiQ-CBR, כוללים שכבות של אלקטרודות פנימיות המשובצות בדיאלקטרי קרמי עם חיבורים מתכתיים בכיפות הקצה. (מקור התמונה: KEMET Corporation)

החומרים והמבנה של קבלי HiQ-CBR מעניקים להם ביצועים בעלי הפסדים נמוכים, כפי שמסומן על ידי גורם האיכות Q, שהוא ההופכי של גורם הפיזור (DF). קבלי HiQ-CBR בעלי ערכי קיבול של 30 pF ומעלה הם בעלי Q גדול או שווה ל-1,000 כאשר הם נבדקים ב- MHz‏ 1‏ ± kHz‏ 100‏ ו-_RMS‏ V‏ 1‏ ±‏ V‏0.2‏. עבור קבלים בקו מוצרים זה עם קיבוליות נמוכה יותר, Q = 400 + 20C, כאשר C הוא ערך הקיבוליות.

מהנדסים המתכננים אלקטרוניקה עבור יישומי RF בתדר גבוה מחפשים גם קבלים בעלי התנגדות טורית אקוויוולנטית (ESR) נמוכה והשראות טורית אקוויוולנטית (ESL) נמוכה, התורמים לתדר תהודה-עצמית (SRF) גבוה. SRF הוא התדר שבו תהודה בקבל תגרום לו לאבד את הקיבוליות שלו ולפעול כמשרן, ולכן SRF צריך להיות גבוה בהרבה מעל תדר הפעולה. לקבלי HiQ-CBR יש תדרי SRF מ-MHz‏ 600‏ עבור קבלי pF‏ 100‏ עד MHz‏ 12,000‏ עבור קבלי pF‏ 0.1‏.

קבלי HiQ-CBR מתוכננים להיות מולחמים על גבי מעגלים מודפסים סטנדרטיים עם גימור בדיל מאט על כיפות הקצה שלהם. הם זמינים בגודלי מארז נפוצים, כולל 0201 (0.2 אינץ' על 0.1 אינץ'), 0402 (0.4 אינץ' על 0.2 אינץ'), 0603 (0.6 אינץ' על 0.3 אינץ') ו-0805 (0.8 אינץ' על 0.5 אינץ'). הם בעלי תו תקן נטול עופרת ועומדים בתקן RoHS.

קבלים עם מאפייני הביצועים וגורמי הצורה הזמינים בסדרת HiQ-CBR פועלים היטב בתחנות בסיס סלולריות 5G ורשתות טלקומוניקציה ביחד עם מגברי הספק (PA‏) RF‏, רשתות אזור מקומי (LAN) אלחוטיות, רשתות מערכת מיקום גלובלית (GPS) ותקשורת Bluetooth. קבלים אלה נמצאים גם בפעולות עיבוד אותות כמו חסימת DC, סינון, תיאום אימפדנסים, צימוד ומעקף.

כדי להפחית הפרעות ורעשי אותות, המתכננים עשויים להוסיף מוצר כמו ה-®FLEX SUPPRESSOR‏ עבור פסי-תדר Wi-Fi‏ ו-5G‏. תרכובת פולימר-מתכת זה בצורת יריעות או גלילים (איור 4) מכיל אבקה מגנטית בגודל מיקרון המפוזרת לאורך בסיס הפולימר הגמיש כדי לשכך גלים אלקטרומגנטיים או תהודה, לשפר את התכנסות השטף המגנטי, או להפחית את הרעש שנוצר על ידי התקנים אלקטרוניים בתדרים בפסי-תדר 5G, מ-GHz‏ 3‏ עד GHz‏ 40‏.

איור 4: ®FLEX SUPPRESSOR‏ עבור פסי-תדר Wi-Fi ו-5G הוא פולימר גמיש המעורבב עם אבקות מגנטיות בסדר-גודל של מיקרונים. המשתמשים יכולים לחתוך את היריעות לגודל המתאים כדי להפחית תהודה אלקטרומגנטית או לעודד התכנסות שטף מגנטי. (מקור התמונה: KEMET Corporation)

קבלים עבור תשתיות 5G מעבר למתנדים

קבלים נמצאים גם ביישומי תשתיות 5G רבים אחרים כמו ממירי DC/DC, הגנה מפני איבוד הספקת-כוח, כונני מצב-מוצק, נתבים ומתגים. קבלי אלקטרוליט פולימר, הידועים בערכי הקיבוליות הגבוהים שלהם, וקבלי פילם מצופה מתכת, היכולים לטפל בזרמי אדווה, מתפקדים טוב יותר או עם נצילות נפחית גבוהה יותר מאשר MLCCs ביישומים מסוימים.

סוג אחד של קבל אלקטרוליט פולימר הוא סדרת T523‏ של KEMET (איור 5). בקבלים אלה, ליבת טנטלום, האנודה, מוקפת בשכבת דיאלקטרי של טנטלום פנטאוקסיד (_5‏O‏_2‏Ta‏), ולאחריה שכבה של אלקטרוליט פולימר מוליך המכיל גם הוא טנטלום. שכבה זו, בשילוב עם שכבה שלישית של פחמן ושכבה רביעית של כסף, יוצרת את הקתודה.

איור 5: קבלי אלקטרוליט פולימר T523 הם בעלי אנודת טנטלום ואלקטרוליט טנטלום-פולימר היוצר את הקתודה. המארז האפוקסי היצוק מתחבר ללוחות PCB‏ באמצעות טכנולוגיית הרכבה משטחית (SMT). (מקור התמונה: KEMET Corporation‏)

לקבלי סדרת T523 יש ערכי קיבוליות מ-µF‏ 47‏ עד µF‏ 1,000‏, והם יציבים מעל המתחים הנומינליים שלהם של V‏ 6.3‏ עד V‏ 35‏. ערכי ה-ESR שלהם נחשבים נמוכים בתחום של mΩ‏ 30‏ עד mΩ‏ 100‏, התורמים ליציבות זו, עד לתדר הנומינלי שלהם של MHz‏ 1‏.

טכנולוגיית אלקטרוליט פולימר נמצאת גם בקבלים אורגניים אלומיניום פולימר סדרת A798‏ של KEMET (איור 6). קבלים אלה משתמשים בקתודת פולימר מוליך מוצק בשילוב עם אנודת אלומיניום כדי להשיג קיבוליות של µF‏ 470‏, שוהם יציבים במתחי פעולה מ-V‏ 2‏ עד V‏ 2.5‏. ערכי ה-ESR עבור קבלים אלה הם מ-mΩ‏ 3‏ עד mΩ‏ 9‏, כאשר ערכי ה-ESR הנמוכים ביותר מתרחשים כאשר הקיבוליות מגיעה לשיא בתדרים סביב kHz‏ 100‏.

איור 6: קבלי אלקטרוליט פולימר סדרת A798 הם בעלי אנודת אלומיניום וקתודת פולימר אלומיניום. לקבלים אלו יש יציבות טמפרטורה מצוינת וקיבוליות גבוהה. (מקור התמונה: KEMET Corporation‏)

כמו MLCCs, שני סוגי הקבלים הללו מדורגים לפעולה מ-55°C- עד 125°C+. עם זאת, בניגוד ל- MLCCs‏, לקבלים מבוססי-פולימר יש אורך חיים מוגבל על בסיס טמפרטורת הפעולה והלחות. קבלי T523 מדורגים ל-2,000 שעות במתח הנומינלי שלהם וב-85°C+, בעוד שקבלי A798 החזיקו מעמד למעלה מ-5,500 שעות ב-125°C+ במתח הנומינלי שלהם כאשר הם מיוצרים לחיים ארוכים יותר. שני סוגי הקבלים צפויים להחזיק מעמד 10 שנים או יותר במתח הנומינלי בטמפרטורות מתחת ל-C‏°‏85‏+.

שני קווי האלקטרוליט פולימר עובדים עם SMT ומגיעים בגדלים דומים עם אורכים מ-0.138 אינץ' עד 0.287 אינץ', רוחבים מ-0.110 אינץ' עד 0.236 אינץ' וגבהים מ-0.043 אינץ' עד 0.110 אינץ'. קבלי אלקטרוליט פולימר אלה, המסוגלים להגיע לקיבוליות גבוהה בכמה סדרי גודל לעומת זו שניתן להשיג עם MLCCs, הם בעלי נצילות נפחית גבוהה. ביישומים היכולים להשתמש בהם, קבלי אלקטרוליט פולימר יכולים לספק את אותה קיבוליות או גבוהה יותר בחתימת-שטח קטנה יותר בהשוואה ל-MLCCs.

סוג נוסף של קבלים המשמש לעתים קרובות בממירי DC/DC הוא קבל פילם מצופה מתכת עבור פולסים (איור 7), הפועל באופן אלקטרוסטטי ולא אלקטרוליטי. קבלים אלה מורכבים משכבות של דיאלקטרן פילם פוליפרופילן לא-מוליך המצופה מתכת בצד אחד, ולסירוגין פוליאסטר מצופה מתכת, או מרובד ברדיד מתכתי.

איור 7: קבלי פילם מצופה מתכת מתחברים בדרך כלל ללוחות מעגלים מודפסים (PCB) בטכנולוגיית חור-עובר (THT). גורמי הפיזור הנמוכים שלהם מאפשרים להם יישומים בעלי dv/dt וזרמי אדווה גבוהים בהמרת הספק. (מקור התמונה: KEMET Corporation)

קבלי פילם מצופה מתכת עבור פולסים של KEMET‏ מגיעים במגוון רחב של גדלים ותכונות כדי להתאים בתוך יישומי תשתיות 5G‏ רבים. המהנדסים יכולים לבחור מוצר לפי קיבוליות מ-pF‏ 40‏ עד µF‏ 100‏ ומתח DC‏ בין V‏ 100‏ עד V‏ 2,500‏ (איור 8). ערכי ESR עבור קבלים מסוג זה הם מ-mΩ‏ 0.5‏ עד Ω‏ 6.366‏.

חתימת-השטח שלהם יכולה להיות קטנה עד כדי 0.283 אינץ' על 0.098 אינץ' או גדולה עד כדי 1.634 אינץ' על 1.181 אינץ'. מרבית קבלי פילם מצופה מתכת עבור פולסים מתחברים ללוחות PCB דרך חורים, כך שיש להם פרופיל מעט גבוה יותר של 0.236 אינץ' עד 1.776 אינץ'.

איור 8: קבלי פילם מצופה מתכת הם של דיאלקטרן פילם פוליפרופילן עם שכבות מתכת לסירוגין. קבלים אלה מתחברים בדרך כלל ללוחות PCB בטכנולוגיית THT‏. (מקור התמונה: KEMET Corporation‏)

סיכום

תכנון תשתית תקשורת 5G מציב אתגרים במטרה להשוות את היתרונות המובטחים. לקבלים מכל הסוגים, החל מ-MLCCs בעלי קיבוליות נמוכה לתדרים גבוהים ועד לקבלי אלקטרוליט פולימר בעלי קיבוליות גדולה יותר במספר סדרי גודל, ועד לקבלי פילם מצופה מתכת העומדים בשינויים במתח ובזרמי אדווה, ממלאים מספר תפקידים בתשתית ה-5G של היום ושל המחר.