Desde a sua promoção em 2018, o protocolo de comunicação de radiofrequência (RF) celular de 5ª geração (5G) prometeu alcançar uma melhoria de ordem de grandeza na forma como usuários individuais, máquinas industriais e servidores de computação em nuvem enviam e recebem dados. A fim de cumprir os requisitos das Telecomunicações Móveis Internacionais-2020 (IMT-2020), o Projecto de Parceria de Terceira Geração (3GPP) desenvolveu o padrão 5G, que especifica uma taxa de transmissão de dados de 10 Gbps, que é 10 a 100 vezes mais rápida do que os padrões 4G anteriores. Comparado ao protocolo 4G LTE, esse padrão também exige um aumento de 1.000 vezes na largura de banda por unidade de área para permitir um aumento máximo de 100 vezes no número de dispositivos conectados na área. Ao mesmo tempo, a organização insiste em alcançar 99,999% de disponibilidade da rede e, ao mesmo tempo, reduzir o consumo de energia das estações base e dos dispositivos conectados.
Em meados de 2025, existirão mais de 2,25 mil milhões de ligações 5G em todo o mundo, com mais de 182 milhões na América do Norte. Agora, os arquitetos de rede voltaram sua atenção para dispositivos autônomos (SA), que suportam apenas frequências e protocolos 5G, podem atingir velocidades de upload e download mais rápidas e suportam comunicação industrial avançada de Internet das Coisas (IIoT) e máquina a máquina (M2M), com latência de rede tão baixa quanto 1 ms.
O desenvolvimento de novos dispositivos para a construção de infraestruturas 5G estimulou a procura de diversos componentes eletrónicos, incluindo condensadores omnipresentes. Em aplicações 5G, os capacitores são dispositivos versáteis que podem filtrar frequências indesejadas e eliminar interferências de radiofrequência, emparelhar com indutores para regular antenas, desacoplar trilhos de energia para estabilizar os níveis de tensão e equilibrar as conexões de antena. Ao projetar dispositivos 5G e estações base celulares, os engenheiros devem escolher capacitores adequados para atender aos requisitos específicos de desempenho, tamanho e custo de cada aplicação.
Capacitores para aplicações de antena 5G
As antenas da infraestrutura 5G suportam três bandas de frequência em regiões de RF mais altas: a banda de baixa frequência abaixo de 2 GHz, a banda de frequência média entre 2 GHz e 6 GHz e a banda de alta frequência entre 24 GHz e 100 GHz. Ao emparelhar capacitores cerâmicos multicamadas (MLCC) com indutores para formar um oscilador de antena, é possível sintonizar frequências de rádio específicas. Os capacitores da infraestrutura 5G devem ser capazes de lidar com frequências mais altas do protocolo (Figura 1).
Aplicação de MLCC no campo de comunicação RF
Figura 1: O MLCC é amplamente utilizado na área de comunicação RF. Os engenheiros devem selecionar cuidadosamente os capacitores para gerenciar as correntes de RF mais altas na infraestrutura 5G. (Fonte da imagem: KEMET Corporativo)
Os capacitores da série HiQ CBR da KEMET (Figura 2) são um deles. A capacitância desta série de capacitores varia de 0,1 pF a 100 pF, podendo operar por muito tempo na faixa de frequência de 1 MHz a 50 GHz sem superaquecer ou perder características de capacitância. Devido ao uso de dielétrico Classe I, os capacitores HiQ CBR podem operar dentro de uma faixa de temperatura de -55 ° C a +125 ° C com uma mudança de capacitância inferior a ± 30 ppm/° C. Dentro de uma faixa de tensão CC de 6,3 V a 500 V, este capacitor também pode manter um desempenho muito estável sem envelhecer.
Capacitor KEMET HiQ CBR
Figura 2: Os capacitores HiQ CBR são MLCCs projetados para frequências mais altas usadas em infraestrutura 5G. Este dispositivo de montagem em superfície (SMD) usa dielétrico de cerâmica Classe I, emparelhado com condutores de metal base e possui tampas de extremidade revestidas de estanho fosco. (Fonte da imagem: KEMET Corporation)
Os capacitores HiQ CBR são compostos de múltiplas camadas de eletrodos de metal básico (Figura 3). O material do eletrodo é cobre e cada camada do eletrodo é separada e incorporada com material cerâmico. O material cerâmico aqui é o dielétrico Classe I C0G CaZrO3. A tampa metálica é usada como peça de conexão elétrica do eletrodo, facilitando a soldagem do dispositivo de montagem em superfície (SMD) na placa de circuito impresso (PCB).
Camada MLCC do eletrodo interno incorporada com dielétrico cerâmico
Figura 3: A camada interna do eletrodo do MLCC (como os produtos da série HiQ CBR) é incorporada em dielétrico cerâmico, com conexões metálicas nas tampas das extremidades. (Fonte da imagem: KEMET Corporation)
Graças ao seu material e estrutura, os capacitores HiQ CBR apresentam baixo desempenho de perdas, representado pelo fator de qualidade Q, que é o recíproco do fator de dissipação (DF). Ao testar capacitores HiQ CBR com um valor de capacitância de 30 pF ou superior sob condições de 1 MHz ± 100 kHz e 1,0 ± 0,2 VRMS, seu valor Q é maior ou igual a 1000. Para capacitores com valores de capacitância mais baixos nesta série de produtos, Q = 400 + 20C, onde C é o valor de capacitância.
Ao projetar produtos eletrônicos para aplicações de RF de alta frequência, os engenheiros também procuram capacitores com baixa resistência em série equivalente (ESR) e baixa indutância em série equivalente (ESL), que podem ajudar a alcançar alta frequência auto-ressonante (SRF). SRF é a frequência na qual um capacitor ressoa, fazendo com que ele perca capacitância e atue como um indutor, portanto o SRF deve ser muito maior que a frequência de operação. A faixa SRF de capacitores HiQ CBR é de 600 MHz (capacitores de 100 pF) a 12.000 MHz (capacitores de 0,1 pF).
As tampas dos capacitores HiQ CBR são tratadas com estanho fosco e podem ser soldadas em placas de circuito impresso padrão. Este tipo de capacitor tem tamanhos de invólucro comuns, incluindo 0201 (0,2 "x 0,1"), 0402 (0,4 "x 0,2"), 0603 (0,6 "x 0,3") e 0805 (0,8 "x 0,5"). Esses dispositivos foram aprovados na certificação sem chumbo e estão em conformidade com os regulamentos RoHS.
Com suas características de desempenho exclusivas e dimensões externas, os capacitores da série HiQ CBR desempenham um bom papel em estações base celulares 5G, redes de comunicação, amplificadores de potência de RF (PA), redes locais sem fio (LAN), redes de sistema de posicionamento global (GPS) e comunicação Bluetooth. Esta série de capacitores também pode ser usada para processamento de sinais, como bloqueio DC, filtragem, correspondência de impedância, acoplamento e bypass.
Para reduzir a interferência e o ruído do sinal, os projetistas podem adicionar KEMET FLEX SUPPRESSOR ® semelhante. Este material compósito de metal polimérico em forma de folha ou rolo (Figura 4) contém partículas magnéticas de tamanho micrométrico dispersas em um substrato de polímero flexível para suprimir ondas eletromagnéticas ou ressonâncias, melhorar a convergência do fluxo magnético ou reduzir o ruído gerado por dispositivos eletrônicos na faixa de frequência 5G de 3 GHz a 40 GHz.