Kể từ khi được quảng bá vào năm 2018, giao thức truyền thông tần số vô tuyến di động (RF) thế hệ thứ 5 (5G) đã hứa hẹn sẽ đạt được mức độ cải thiện lớn trong cách người dùng cá nhân, máy công nghiệp và máy chủ điện toán đám mây gửi và nhận dữ liệu. Để đáp ứng các yêu cầu của Viễn thông Di động Quốc tế-2020 (IMT-2020), Dự án Đối tác Thế hệ Thứ ba (3GPP) đã phát triển tiêu chuẩn 5G, trong đó chỉ định tốc độ truyền dữ liệu 10 Gbps, nhanh hơn 10 đến 100 lần so với các tiêu chuẩn 4G trước đây. So với giao thức 4G LTE, tiêu chuẩn này cũng yêu cầu băng thông tăng gấp 1000 lần trên một đơn vị diện tích để cho phép tăng tối đa 100 lần số lượng thiết bị được kết nối trong khu vực. Đồng thời, tổ chức này khẳng định đạt được mức độ khả dụng của mạng là 99,999% đồng thời giảm mức tiêu thụ năng lượng của các trạm gốc và thiết bị được kết nối.
Đến giữa năm 2025, sẽ có hơn 2,25 tỷ kết nối 5G trên toàn thế giới, với hơn 182 triệu ở Bắc Mỹ. Giờ đây, các kiến trúc sư mạng đã chuyển sự chú ý của họ sang các thiết bị độc lập (SA), chỉ hỗ trợ tần số và giao thức 5G, có thể đạt được tốc độ tải lên và tải xuống nhanh hơn, đồng thời hỗ trợ Internet vạn vật (IIoT) công nghiệp tiên tiến và giao tiếp giữa máy với máy (M2M), với độ trễ mạng thấp tới 1 ms.
Sự phát triển của các thiết bị mới để xây dựng cơ sở hạ tầng 5G đã kích thích nhu cầu về các linh kiện điện tử khác nhau, bao gồm cả các tụ điện phổ biến. Trong các ứng dụng 5G, tụ điện là thiết bị linh hoạt có thể lọc các tần số không mong muốn và loại bỏ nhiễu tần số vô tuyến, ghép nối với cuộn cảm để điều chỉnh ăng-ten, tách đường ray điện để ổn định mức điện áp và cân bằng kết nối ăng-ten. Khi thiết kế các thiết bị 5G và trạm gốc di động, các kỹ sư phải chọn tụ điện phù hợp để đáp ứng các yêu cầu về hiệu suất, kích thước và chi phí cụ thể của từng ứng dụng.
Tụ điện cho ứng dụng ăng-ten 5G
Ăng-ten của cơ sở hạ tầng 5G hỗ trợ ba dải tần ở vùng RF cao hơn: dải tần thấp dưới 2 GHz, dải tần trung từ 2 GHz đến 6 GHz và dải tần cao từ 24 GHz đến 100 GHz. Bằng cách ghép các tụ gốm nhiều lớp (MLCC) với cuộn cảm để tạo thành bộ tạo dao động ăng-ten, có thể điều chỉnh theo các tần số vô tuyến cụ thể. Các tụ điện của cơ sở hạ tầng 5G phải có khả năng xử lý tần số cao hơn của giao thức (Hình 1).
Ứng dụng MLCC trong lĩnh vực truyền thông RF
Hình 1: MLCC được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực truyền thông RF. Các kỹ sư phải lựa chọn cẩn thận các tụ điện để quản lý dòng RF cao hơn trong cơ sở hạ tầng 5G. (Nguồn ảnh: KEMET Corporate)
Tụ điện dòng HiQ CBR của KEMET (Hình 2) là một trong số đó. Điện dung của loạt tụ điện này nằm trong khoảng từ 0,1 pF đến 100 pF và có thể hoạt động trong thời gian dài ở dải tần từ 1 MHz đến 50 GHz mà không bị quá nhiệt hoặc mất đặc tính điện dung. Do sử dụng chất điện môi Loại I, tụ điện HiQ CBR có thể hoạt động trong phạm vi nhiệt độ từ -55 ° C đến +125 ° C với sự thay đổi điện dung dưới ± 30 ppm/° C. Trong dải điện áp DC từ 6,3 V đến 500 V, tụ điện này cũng có thể duy trì hiệu suất rất ổn định mà không bị lão hóa.
Tụ điện KEMET HiQ CBR
Hình 2: Tụ điện HiQ CBR là MLCC được thiết kế cho tần số cao hơn được sử dụng trong cơ sở hạ tầng 5G. Thiết bị gắn trên bề mặt (SMD) này sử dụng chất điện môi gốm Loại I, kết hợp với dây dẫn kim loại cơ bản và có các nắp đầu được phủ thiếc mờ. (Nguồn ảnh: Tập đoàn KEMET)
Tụ điện HiQ CBR bao gồm nhiều lớp điện cực kim loại cơ bản (Hình 3). Vật liệu điện cực là đồng, mỗi lớp điện cực được tách ra và nhúng bằng vật liệu gốm. Vật liệu gốm ở đây là chất điện môi CaZrO3 loại I C0G. Nắp đầu kim loại được sử dụng làm bộ phận kết nối điện cho điện cực, giúp dễ dàng hàn thiết bị gắn bề mặt (SMD) lên bảng mạch in (PCB).
Lớp điện cực bên trong MLCC được nhúng với chất điện môi gốm
Hình 3: Lớp điện cực bên trong của MLCC (chẳng hạn như các sản phẩm dòng HiQ CBR) được nhúng trong chất điện môi gốm, với các kết nối kim loại ở các đầu cuối. (Nguồn ảnh: Tập đoàn KEMET)
Nhờ chất liệu và cấu tạo nên tụ điện HiQ CBR có hiệu suất tổn hao thấp, biểu thị bằng hệ số chất lượng Q, nghịch đảo của hệ số tiêu tán (DF). Khi kiểm tra tụ điện HiQ CBR có giá trị điện dung từ 30 pF trở lên trong điều kiện 1 MHz ± 100 kHz và 1,0 ± 0,2 VRMS, giá trị Q của chúng lớn hơn hoặc bằng 1000. Đối với các tụ điện có giá trị điện dung thấp hơn trong dòng sản phẩm này, Q = 400 + 20C, Trong đó C là giá trị điện dung.
Khi thiết kế các sản phẩm điện tử cho các ứng dụng RF tần số cao, các kỹ sư cũng đang tìm kiếm các tụ điện có điện trở nối tiếp tương đương (ESR) thấp và độ tự cảm nối tiếp tương đương (ESL) thấp, có thể giúp đạt được tần số tự cộng hưởng (SRF) cao. SRF là tần số mà tụ điện cộng hưởng làm mất điện dung và đóng vai trò như một cuộn cảm nên SRF phải cao hơn nhiều so với tần số hoạt động. Phạm vi SRF của tụ điện HiQ CBR là từ 600 MHz (tụ điện 100 pF) đến 12000 MHz (tụ điện 0,1 pF).
Các nắp cuối của tụ điện HiQ CBR được xử lý bằng thiếc mờ và có thể được hàn vào các bảng mạch in tiêu chuẩn. Loại tụ điện này có kích thước vỏ thông dụng, bao gồm 0201 (0,2"x 0,1"), 0402 (0,4"x 0,2"), 0603 (0,6"x 0,3") và 0805 (0,8"x 0,5"). Các thiết bị này đã đạt chứng nhận không chì và tuân thủ các quy định RoHS.
Với đặc tính hiệu suất độc đáo và kích thước bên ngoài, tụ điện dòng HiQ CBR đóng vai trò tốt trong các trạm gốc di động 5G, mạng truyền thông, bộ khuếch đại công suất RF (PA), mạng cục bộ không dây (LAN), mạng hệ thống định vị toàn cầu (GPS) và giao tiếp Bluetooth. Dòng tụ điện này cũng có thể được sử dụng để xử lý tín hiệu như chặn DC, lọc, phối hợp trở kháng, ghép nối và bỏ qua.
Để giảm nhiễu và nhiễu tín hiệu, các nhà thiết kế có thể bổ sung thêm BỘ TRƯỢT KEMET FLEX tương tự ® Vật liệu tổng hợp kim loại polyme dạng tấm hoặc dạng cuộn này (Hình 4) chứa các hạt từ tính có kích thước micromet phân tán trong một chất nền polyme dẻo để triệt tiêu sóng điện từ hoặc cộng hưởng, cải thiện sự hội tụ từ thông hoặc giảm nhiễu do các thiết bị điện tử tạo ra trong dải tần số 5G từ 3 GHz đến 40 GHz.