Kondensatoren sind Schlüsselkomponenten für die 5G-Telekommunikationsinfrastruktur

Schon vor ihrer Einführung im Jahr 2018 versprachen die Mobilfunkprotokolle der 5. Generation (5G) Verbesserungen um Größenordnungen bei der Art und Weise, wie einzelne Nutzer, Industriemaschinen und Cloud-Computing-Server Daten senden und empfangen. Der 5G-Standard, der vom 3GPP (3rd Generation Partnership Project) festgelegt wurde, um die Anforderungen der IMT-2020 (International Mobile Telecommunications-2020) zu erfüllen, sieht Datenraten von bis zu 10 Gbit/s vor, 10 bis 100 Mal schneller als die bisherigen 4G-Standards. Außerdem ist eine tausendmal größere Bandbreite pro Flächeneinheit erforderlich, so dass im Vergleich zu 4G-LTE-Protokollen bis zu 100 Mal mehr Geräte in diesem Bereich angeschlossen werden können. Gleichzeitig wird Wert auf eine Netzverfügbarkeit von 99,999% und einen geringeren Energieverbrauch sowohl für die Netzbasisstationen als auch für die angeschlossenen Geräte gelegt.

Mitte 2025 gab es weltweit über 2,25 Milliarden 5G-Verbindungen, davon über 182 Millionen in Nordamerika. Netzwerkarchitekten gehen zu Standalone-Geräten über, die ausschließlich 5G-Frequenzen und -Protokolle unterstützen und schnellere Up- und Download-Geschwindigkeiten sowie Unterstützung für das moderne industrielle Internet der Dinge (IIoT) und die Maschine-zu-Maschine-Kommunikation (M2M) mit einer Netzwerklatenz von nur 1 ms bieten.

Die Entwicklung neuer Geräte für den Aufbau der 5G-Infrastruktur hat die Nachfrage nach elektronischen Bauteilen aller Art angekurbelt, darunter auch der allgegenwärtige Kondensator. In 5G-Anwendungen filtern Kondensatoren unerwünschte Frequenzen heraus und beseitigen HF-Störungen, werden mit Induktivitäten kombiniert, um Antennen abzustimmen, entkoppeln Stromschienen, um Spannungspegel zu stabilisieren, und symmetrieren Antennenanschlüsse, neben anderen Funktionen. Ingenieure, die 5G-fähige Geräte und Mobilfunk-Basisstationen entwickeln, müssen Kondensatoren auswählen, die den Performance-, Größen- und Kostenanforderungen der jeweiligen Anwendung entsprechen.

Kondensatoren für 5G-Antennenanwendungen

Antennen für 5G-Infrastrukturen unterstützen drei Bänder im höheren HF-Bereich: Niederfrequenzband unter 2 GHz, Mittelfrequenzband von 2 GHz bis 6 GHz und Hochfrequenzband von 24 GHz bis 100 GHz. Mehrschicht-Keramikkondensatoren (MLCCs) bilden zusammen mit Induktivitäten Antennenoszillatoren, die auf bestimmte Funkfrequenzen abgestimmt werden können. Kondensatoren für die 5G-Infrastruktur müssen den höheren Frequenzen des Protokolls gewachsen sein (Abbildung 1).

Abbildung 1: MLCCs werden im gesamten Spektrum der HF-Kommunikation eingesetzt. Ingenieure müssen ihre Kondensatoren sorgfältig auswählen, um die höheren HF-Ströme zu bewältigen, die in der 5G-Infrastruktur verwendet werden. (Bildquelle: KEMET Corporation)

Eine solche Kondensatorreihe ist die Serie HiQ-CBR (Abbildung 2) von KEMET. Die Bauelemente dieser Serie haben Kapazitätswerte von 0,1 pF bis 100 pF und sind für den Langzeitbetrieb bei Frequenzen von 1 MHz bis 50 GHz ausgelegt, ohne Überhitzung oder Verlust der kapazitiven Eigenschaften. Da HiQ-CBR-Kondensatoren ein Dielektrikum der Klasse I verwenden, können sie bei Temperaturen von -55°C bis +125°C mit Kapazitätsänderungen von weniger als ±30 ppm/°C betrieben werden. Die Performance des Kondensators ist auch über den Gleichspannungsbereich von 6,3 V bis 500 V stabil und altert nicht mit der Zeit.

Abbildung 2: HiQ-CBR-Kondensatoren sind MLCCs, die für die von der 5G-Infrastruktur verwendeten höheren Frequenzen ausgelegt sind. Ein keramisches Dielektrikum der Klasse I paart sich in den oberflächenmontierbaren Bauteilen (SMDs) mit unedlen Metallleitern und Endkappen aus mattem Zinn. (Bildquelle: KEMET Corporation)

HiQ-CBR-Kondensatoren bestehen aus mehreren Schichten unedler Metallelektroden (Abbildung 3) - in diesem Fall Kupfer -, die durch eine Keramik - in diesem Fall CaZrO₃, ein C0G-Dielektrikum der Klasse I - getrennt und darin eingebettet sind. Metallische Endkappen stellen eine elektrische Verbindung zu den Elektroden her und erleichtern das Auflöten dieses oberflächenmontierten Bauelements (SMD) auf die Leiterplatte.

Abbildung 3: MLCCs, wie die der HiQ-CBR-Serie, haben Schichten von Innenelektroden, die in ein keramisches Dielektrikum eingebettet sind, mit metallischen Anschlüssen an den Endkappen. (Bildquelle: KEMET Corporation)

Die Materialien und der Aufbau der HiQ-CBR-Kondensatoren verleihen ihnen eine verlustarme Performance, die durch den Qualitätsfaktor Q angegeben wird, der der Kehrwert des Verlustfaktors (DF) ist. HiQ-CBR-Kondensatoren mit Kapazitätswerten von 30 pF oder mehr haben einen Q-Wert von größer oder gleich 1000, wenn sie bei 1 MHz ±100 kHz und 1,0 ±0,2 V_eff getestet werden. Für Kondensatoren dieser Produktlinie mit geringerer Kapazität gilt Q = 400 + 20C, wobei C der Kapazitätswert ist.

Ingenieure, die Elektronik für Hochfrequenzanwendungen entwickeln, suchen auch nach Kondensatoren mit niedrigem äquivalenten Serienwiderstand (ESR) und niedriger äquivalenter Serieninduktivität (ESL), die zu einer hohen Eigenresonanzfrequenz (SRF) beitragen. SRF ist die Frequenz, bei der eine Resonanz im Kondensator dazu führt, dass er seine Kapazität verliert und sich wie eine Induktivität verhält; SRF muss also deutlich über der Betriebsfrequenz liegen. HiQ-CBR-Kondensatoren haben SRFs im Bereich von 600 MHz für 100pF-Kondensatoren bis 12.000 MHz für 0,1pF-Kondensatoren.

HiQ-CBR-Kondensatoren sind so konzipiert, dass sie auf Standard-Leiterplatten gelötet werden können, wobei die Endkappen mit einer matten Zinnoberfläche versehen sind. Sie sind in den gängigen Gehäusegrößen erhältlich, darunter 0201 (0,2" x 0,1"), 0402 (0,4" x 0,2"), 0603 (0,6" x 0,3") und 0805 (0,8" x 0,5"). Sie sind zertifiziert bleifrei und entsprechen der RoHS-Richtlinie.

Kondensatoren mit den Leistungsmerkmalen und Formfaktoren der HiQ-CBR-Serie eignen sich gut für 5G-Mobilfunk-Basisstationen und Telekommunikationsnetzwerke sowie für HF-Leistungsverstärker (PA), drahtlose lokale Netzwerke (LANs), GPS-Netzwerke und Bluetooth-Kommunikation. Diese Kondensatoren werden auch in der Signalverarbeitung eingesetzt, z. B. zur Gleichstromsperre, Filterung, Impedanzanpassung, Kopplung und Überbrückung.

Um Interferenzen und Signalrauschen zu reduzieren, können Designer ein Produkt wie den FLEX SUPPRESSOR® von KEMET für das Wi-Fi-Band und 5G hinzufügen. Dieser Polymer-Metall-Verbundwerkstoff in Folien- oder Rollenform (Abbildung 4) enthält mikrometergroßes magnetisches Pulver, das in der flexiblen Polymerbasis verteilt ist, um elektromagnetische Wellen oder Resonanzen zu unterdrücken, die Konvergenz des magnetischen Flusses zu verbessern oder das von elektronischen Geräten erzeugte Rauschen bei Frequenzen in den 5G-Bändern von 3 GHz bis 40 GHz zu reduzieren.

Abbildung 4: FLEX SUPPRESSOR® für das Wi-Fi-Band und 5G ist ein flexibles Polymer, das mit magnetischen Pulvern im Mikrometerbereich gemischt ist. Benutzer können die Folien auf die gewünschte Größe zuschneiden, um elektromagnetische Resonanz zu reduzieren oder die Konvergenz des magnetischen Flusses zu fördern. (Bildquelle: KEMET Corporation)

Kondensatoren für die 5G-Infrastruktur jenseits von Oszillatoren

Kondensatoren finden sich auch in vielen anderen 5G-Infrastrukturanwendungen wie DC/DC-Wandlern, Schutz vor Leistungsverlusten, Halbleiterfestplatten, Routern und Switches. Polymerelektrolytkondensatoren, die für ihre hohen Kapazitätswerte bekannt sind, und Metallfolienkondensatoren, die Brummströme bewältigen können, erbringen in bestimmten Anwendungen bessere Leistungen oder einen höheren volumetrischen Wirkungsgrad als MLCCs.

Ein Typ von Polymerelektrolytkondensatoren ist die Serie T523 von KEMET (Abbildung 5). Bei diesen Kondensatoren ist ein Tantalkern, die Anode, von einer dielektrischen Schicht aus Tantalpentoxid (Ta₂O₅) und anschließend von einer Schicht aus leitfähigem Polymerelektrolyt umgeben, die ebenfalls Tantal enthält. Diese Schicht bildet zusammen mit einer dritten Schicht aus Kohlenstoff und einer vierten Schicht aus Silber die Kathode.

Abbildung 5: Die Polymerelektrolytkondensatoren T523 haben eine Tantal-Anode und einen Tantal-Polymer-Elektrolyten, der einen Teil der Kathode bildet. Das gegossene Epoxid-Gehäuse wird mittels Oberflächenmontagetechnik (SMT) auf Leiterplatten befestigt (Bildquelle: KEMET Corporation).

Die Kondensatoren der Serie T523 haben Kapazitätswerte von 47 µF bis 1000 µF, die über ihre Nennspannung von 6,3 V bis 35 V stabil sind. Ihre ESRs gelten mit 30 mΩ bis 100 mΩ als niedrig und tragen zu dieser Stabilität bis zu ihrer Nennfrequenz von 1 MHz bei.

Die Polymerelektrolyt-Technologie findet sich auch in den organischen Polymer-Aluminium-Kondensatoren der Serie A798 von KEMET (Abbildung 6). Diese Kondensatoren verwenden eine feste leitfähige Polymerkathode in Verbindung mit einer Aluminiumanode, um eine Kapazität von 470 µF zu erreichen, die bei Betriebsspannungen von 2 V bis 2,5 V stabil ist. Die ESR-Werte für diese Kondensatoren liegen zwischen 3 mΩ und 9 mΩ, wobei die niedrigsten ESR-Werte auftreten, wenn die Kapazität bei Frequenzen um 100 kHz ihren Höchstwert erreicht.

Abbildung 6: Die Polymerelektrolytkondensatoren der Serie A798 haben eine Aluminiumanode und eine Aluminiumpolymerkathode. Die daraus resultierenden Kondensatoren haben eine ausgezeichnete Temperaturstabilität und eine hohe Kapazität. (Bildquelle: KEMET Corporation)

Wie die MLCCs sind auch diese beiden Kondensatortypen für einen Betriebstemperaturbereich von -55°C bis +125°C ausgelegt. Im Gegensatz zu MLCCs haben Kondensatoren auf Polymerbasis jedoch eine begrenzte Lebensdauer, die von Betriebstemperatur und Luftfeuchtigkeit abhängt. T523-Kondensatoren sind für 2000 Stunden bei ihrer Nennspannung und +85°C ausgelegt, während A798-Kondensatoren mehr als 5500 Stunden bei +125°C bei ihrer Nennspannung überstanden haben, wenn sie für eine verlängerte Lebensdauer formuliert wurden. Beide Arten von Kondensatoren dürften bei der Nennspannung und Temperaturen unter +85°C 10 Jahre oder länger halten.

Beide Polymerelektrolyt-Serien arbeiten mit SMT und sind in ähnlichen Größen erhältlich, mit Längen von 0,138" bis 0,287", Breiten von 0,110" bis 0,236" und Höhen von 0,043" bis 0,110". Diese Polymerelektrolytkondensatoren haben einen hohen volumetrischen Wirkungsgrad und können Kapazitätswerte erreichen, die um mehrere Größenordnungen höher sind als die von MLCCs. In Anwendungen, in denen sie eingesetzt werden können, können Polymerelektrolytkondensatoren im Vergleich zu MLCCs dieselbe oder eine höhere Kapazität bei geringerem Platzbedarf liefern.

Ein weiterer Kondensatortyp, der häufig in DC/DC-Wandlern verwendet wird, ist der metallisierte Folien-Impulskondensator (Abbildung 7), der elektrostatisch und nicht elektrolytisch arbeitet. Diese Kondensatoren bestehen aus Schichten eines nichtleitenden Polypropylen-Foliendielektrikums, das entweder einseitig mit Metall beschichtet ist, mit metallbeschichtetem Polyester durchsetzt ist oder mit einer Metallfolie beschichtet ist.

Abbildung 7: Metallisierte Folienkondensatoren werden in der Regel per Durchkontaktierung (THT) auf Leiterplatten befestigt. Ihre niedrigen Verlustfaktoren ermöglichen die Bewältigung von Anwendungen mit hohem dv/dt und Brummströmen bei der Leistungsumwandlung. (Bildquelle: KEMET Corporation)

Die von KEMET erhältlichen Metallfolien-Pulskondensatoren sind in einer Vielzahl von Größen und Eigenschaften erhältlich und eignen sich für viele 5G-Infrastrukturanwendungen. Ingenieure können ein Produkt durch Wahl der Kapazität zwischen 40 pF und 100 µF und der Gleichspannung zwischen 100 V und 2500 V auswählen (Abbildung 8). Die ESRs für diesen Kondensatortyp reichen von 0,5 mΩ bis 6,366 Ω.

Ihr Footprint kann von minimal 0,283" x 0,098" bis maximal 1,634" x 1,181" reichen. Die meisten Metallfolien-Pulskondensatoren werden per Durchkontaktierung auf der Leiterplatte befestigt, so dass sie ein etwas höheres Profil von 0,236" bis 1,776" haben.

Abbildung 8: Metallisierte Folienkondensatoren haben ein Polypropylen-Foliendielektrikum, das mit Metall überzogen ist. Diese Kondensatoren werden in der Regel per Durchkontaktierung auf Platinen befestigt. (Bildquelle: KEMET Corporation)

Fazit

Die Gestaltung der 5G-Telekommunikationsinfrastruktur führt zu Herausforderungen bei der Realisierung der versprochenen Vorteile. Kondensatoren aller Art, von MLCCs mit niedriger Kapazität für hohe Frequenzen über Polymerelektrolytkondensatoren mit um Größenordnungen höherer Kapazität bis hin zu metallisierten Folienkondensatoren, die Spannungsschwankungen und Brummströmen standhalten, spielen in der 5G-Infrastruktur von heute und morgen eine Rolle.