La maggior parte delle persone conosce già le principali promesse del 5G, tra cui la possibilità di scaricare film della durata di 2 ore in appena 3 secondi (rispetto ai 6 minuti necessari con il 4G). Tuttavia, prima che questi slogan pubblicitari diventino realtà, c'è ancora tanto lavoro da fare. Attualmente, i principali attori del settore delle telecomunicazioni stanno lavorando sodo per superare una serie di ostacoli di natura tecnica e poter sfruttare il potenziale del 5G. Tra i probabili risultati di questo lavoro, vi sarà un maggior numero di componenti in spazi ristretti, che a sua volta richiederà soluzioni efficaci per garantire la compatibilità elettromagnetica e la manutenzione termica.
La tecnologia 5G wireless promette velocità dei dati di picco multi-Gbps più elevate, latenza estremamente bassa, maggiore affidabilità, enorme capacità di rete e maggiore disponibilità. Le prestazioni elevate e l'ottimizzazione dell'efficienza che ne derivano assicureranno nuove esperienze utente e collegheranno nuovi settori. Con il 5G è finalmente possibile sfruttare appieno il potenziale dell’Internet delle cose (IoT) attraverso la connessione di macchine, oggetti, dispositivi e persone.
Diverse bande di frequenza
La rete 5G wireless di nuova generazione degli annunci pubblicitari non è la stessa attualmente disponibile. Per comprenderne il motivo, occorre definire le tre diverse bande di frequenza del segnale.
Il 5G odierno è, fondamentalmente, una versione avanzata del 4G. Ha capacità leggermente superiori, ma funziona sulle stesse frequenze (da 700 MHz a 2,6 GHz). Sebbene sia disponibile una banda di frequenza media da 2,5 a 6 GHz, la vera promessa del 5G e il suo potenziale di trasformazione del mondo si realizzeranno nell'ambito delle frequenze ultra-elevate (da 25 a 50 GHz), vicino alla parte inferiore la banda d'onda millimetrica.
Uno dei problemi è una generale mancanza di definizione della gamma di frequenze ultra-elevate. Ed è solo un problema tra tanti. Ad esempio, le lunghezze di trasmissione brevi in metri anziché in chilometri sono intrinseche del 5G. È possibile che per sfruttare appieno il potenziale del 5G sia necessaria una maggiore infrastruttura di rete locale, possibilmente sotto forma di microantenne posizionate sui tetti degli edifici o sui lampioni (siti di piccole celle), magari più compatti rispetto alle soluzioni della generazione precedente. Ci saranno molti più punti di trasmissione/ricezione rispetto all'attuale fabbisogno di frequenze del 4G.
Un modo per mantenere un segnale forte è aumentare la potenza, ma questo a sua volta implica la generazione di calore nei circuiti integrati (IC) e sui circuiti stampati (PCB). Secondo le stime, i segnali 5G hanno persino problemi a superare ostacoli come alberi a chioma larga e vetri sfumati. Pertanto, il lavoro necessario a superare questi problemi si svolge parallelamente allo sviluppo di dispositivi e infrastrutture volti a ridurre il tempo di commercializzazione.
Requisiti dell'infrastruttura 5G
L'infrastruttura che supporta le reti da cui dipendono le comunicazioni porta con sé numerose sfide in termini di schermatura elettromagnetica e gestione termica. Apparecchiature quali stazioni di base, antenne e cabinet per componenti elettronici complessi richiedono tecnologie e materiali diversi per ridurre le interferenze elettromagnetiche. Inoltre, saranno necessari materiali termoconduttivi (TIM) esclusivi di nuova generazione per far sì che i componenti non superino le temperature d'esercizio prestabilite, garantendo così l'affidabilità e la longevità del sistema.
Sebbene gran parte dell'infrastruttura attualmente in fase di sviluppo sia nuova per le frequenze ultra-elevate in cui funzionerà il 5G, i principali fornitori di soluzioni di schermatura elettromagnetica e interfacce termiche supportano già applicazioni che operano a queste frequenze. Ad esempio, le applicazioni ad alto volume come i sistemi radar automobilistici operano nei limiti dei 77 GHz. Di conseguenza, vi è già una certa competenza in materia di soluzioni efficaci di schermatura elettromagnetica e interfacce termiche per i dispositivi dell'infrastruttura con frequenze a 5G effettive.
Questa è una buona notizia per gli sviluppatori di soluzioni di telecomunicazione, molti dei quali sono attualmente alla ricerca di requisiti di schermatura per applicazioni con frequenze fino a 100 GHz. Perché così elevate? Ebbene, se le frequenze di test sono fino a 50 GHz, molte delle velocità del segnale digitale diviso delle frequenze intenzionali fondamentali e degli oscillatori locali (LO) all'interno dei circuiti hanno un'infrequenza molto più elevata in termini di contenuto di armoniche.
Ogni guasto è costoso, soprattutto nel 5G
Nella maggior parte degli alloggiamenti o degli involucri per infrastrutture 5G sono presenti un trasmettitore e un ricevitore; pertanto, è necessaria una schermatura per garantire che l'uno non interferisca con l'altro. Questa compatibilità elettromagnetica (EMC) fa sì che tutti i circuiti funzionino in armonia senza interferenze reciproche. Esistono inoltre requisiti per le emissioni irradiate a livello globale, in modo che i segnali vengano trasmessi tramite l'antenna (trasmettitore intenzionale) e non irradiati dall'involucro in modo casuale (radiazione involontaria). Gli involucri del sistema devono inoltre essere adeguatamente sigillati (schermati) per far sì che i circuiti all'interno non siano soggetti a interferenze esterne e non causino malfunzionamenti del sistema. La mancata implementazione di una schermatura elettromagnetica adeguata può provocare il malfunzionamento del dispositivo, il funzionamento a velocità inferiori o l'interferenza con altri dispositivi/sistemi.
Un altro aspetto che influisce in modo significativo sulla capacità di ottenere una schermatura sufficiente è il fatto che molti dispositivi dell'infrastruttura 5G stanno diventando sempre più piccoli. Oggigiorno, gli involucri elettronici misurano in genere circa 500 x 250 x 250 mm e sono spesso dotati di un coperchio pressofuso che funge da dissipatore di calore. A volte è presente una guarnizione ambientale/EMI all'esterno, mentre all'interno vi sono tutti i tipi di guarnizioni di dimensioni inferiori nonché schermi di scomparti che impediscono le interferenze.
Naturalmente, la soluzione di schermatura ottimale consiste nel risolvere i problemi di compatibilità elettromagnetica utilizzando filtri e componenti speciali sulle schede a circuito stampato. Solitamente, la schermatura elettromagnetica ottenuta con prodotti sagomabili o estrusioni serve a risolvere problemi che gli ingegneri non sono in grado di risolvere. Questo è dovuto, in gran parte, ai costi e/o al tempo di commercializzazione. Tuttavia, l'aumento delle frequenze determinerà quasi certamente un maggiore fabbisogno in termini sia di componenti capaci di assorbire le microonde sia di soluzioni tradizionali come le guarnizioni metalliche.
Oltre a soddisfare i requisiti di schermatura elettromagnetica, occorre dissipare il calore in spazi ridotti, facendo sì che i componenti del sistema continuino a operare in modo efficiente, così come previsto, e negli intervalli di temperatura desiderati. L'assenza di gestione termica può causare spesso guasti del dispositivo/sistema, motivo per cui le soluzioni TIM come i gel e i cuscinetti termici THERM-A-GAP di Parker Chomerics sono fondamentali per il futuro successo del 5G.
Oltre alle infrastrutture e ai dispositivi di telecomunicazione, le applicazioni future si estenderanno ai veicoli autonomi, alla tecnologia indossabile connessa e alle soluzioni che sostituiscono i sistemi cablati esistenti per l'intrattenimento domestico.
Decisioni per scelte informate
Qualsiasi soluzione EMI o termoconduttiva sarà soggetta a molti dei parametri tipici di progetti di questo tipo, tra cui impedenza termica, prestazioni di schermatura, conformità, peso, costo, disponibilità e caratteristiche ambientali come la capacità di riciclaggio. Facilità d'uso e affidabilità sono ulteriori fattori da tenere in considerazione nella decisione di acquisto.
Tenendo presenti questi fattori, è essenziale la collaborazione con un partner tecnologico esperto e, nello specifico, che conosca i requisiti applicativi e disponga già di soluzioni di schermatura elettromagnetica e gestione termica che funzionano nello spettro delle frequenze ultra-elevate. Ulteriori fattori da tenere in considerazione nella scelta di un fornitore includono la competenza in ambiti quali sviluppo di prodotti, soluzioni personalizzate, alloggiamenti completi per componenti elettronici e gestione della catena di approvvigionamento. Del resto, le collaborazioni strette consentono, in genere, di ottenere i migliori risultati di progetto, dall'ideazione iniziale fino alla fine del ciclo di vita del prodotto.
