Les condensateurs sont des composants clés de l'infrastructure de télécommunications 5G

Avant même leur déploiement en 2018, les protocoles de communications radiofréquences (RF) cellulaires de 5^e génération (5G) ont été la promesse d'améliorations considérables quant à la manière dont les utilisateurs individuels, les machines industrielles et les serveurs de cloud computing peuvent envoyer et recevoir des données. La norme 5G, telle qu'établie par le 3GPP (3rd Generation Partnership Project) pour s'aligner sur les exigences IMT-2020 (International Mobile Telecommunications-2020), implique des débits de données jusqu'à 10 Gbps, soit 10 à 100 fois plus élevés que la norme 4G précédente. Elle nécessite également une bande passante mille fois supérieure par unité de surface, permettant de connecter jusqu'à 100 fois plus de dispositifs dans cette zone par rapport aux protocoles 4G LTE. Parallèlement, elle exige une disponibilité du réseau de 99,999 % et une consommation d'énergie réduite, tant pour les stations de base du réseau que pour les dispositifs connectés.

Mi-2025, on comptait plus de 2,25 milliards de connexions 5G dans le monde, dont plus de 182 millions en Amérique du Nord. Les architectes réseau se tournent vers des équipements autonomes (SA) qui prennent exclusivement en charge les fréquences et protocoles 5G, offrant des vitesses de téléchargement plus élevées, ainsi que des capacités de communications machine-à-machine (M2M) et Internet industriel des objets (IIoT) avancées, avec une latence réseau de seulement 1 ms.

Le développement de nouveaux équipements pour construire l'infrastructure 5G a stimulé la demande de composants électroniques de tous types, y compris l'omniprésent condensateur. Dans les applications 5G, les condensateurs filtrent les fréquences indésirables et suppriment les interférences RF, s'associent à des inductances pour accorder les antennes, découplent les rails d'alimentation pour stabiliser les niveaux de tension et équilibrent les connexions d'antenne, entre autres fonctions. Les ingénieurs qui conçoivent des stations de base cellulaires et des dispositifs compatibles 5G doivent choisir des condensateurs qui répondent aux exigences de performances, de taille et de coût de chaque application.

Condensateurs pour applications d'antennes 5G

Les antennes pour l'infrastructure 5G prennent en charge trois bandes dans la région RF supérieure : la bande basse en dessous de 2 GHz, la bande moyenne de 2 GHz à 6 GHz et la bande haute de 24 GHz à 100 GHz. Les condensateurs en céramique multicouches (MLCC) sont associés à des inductances pour former des oscillateurs d'antenne capables d'accorder des radiofréquences spécifiques. Les condensateurs pour l'infrastructure 5G doivent être capables de gérer les fréquences plus élevées du protocole (Figure 1).

Figure 1 : Les condensateurs MLCC sont utilisés sur l'ensemble du spectre des communications RF. Les ingénieurs doivent choisir leurs condensateurs avec soin pour gérer les courants RF plus élevés utilisés par l'infrastructure 5G. (Source de l'image : KEMET Corporation)

L'une de ces lignes de condensateurs est la série HiQ-CBR (Figure 2) de KEMET. Les composants de cette série ont des valeurs de capacité de 0,1 pF à 100 pF et ils sont conçus pour un fonctionnement à long terme à des fréquences de 1 MHz à 50 GHz, sans surchauffe ni perte de propriétés capacitives. Comme les condensateurs HiQ-CBR utilisent un diélectrique de classe I, ils peuvent fonctionner à des températures comprises entre -55°C et +125°C avec des variations de capacité inférieures à ±30 ppm/°C. Les performances des condensateurs sont également stables sur la plage de tensions CC de 6,3 V à 500 V et ne sont pas affectées par le vieillissement dans le temps.

Figure 2 : Les condensateurs HiQ-CBR sont des MLCC conçus pour faciliter les fréquences plus élevées utilisées par l'infrastructure 5G. Un diélectrique en céramique de classe I est associé à des conducteurs en métal ordinaire et des terminaisons à finition en étain mat dans les composants à montage en surface (CMS). (Source de l'image : KEMET Corporation)

Les condensateurs HiQ-CBR sont constitués de plusieurs couches d'électrodes en métal ordinaire (Figure 3) — dans ce cas, du cuivre — séparées par un matériau céramique et intégrées dans un matériau céramique — dans ce cas du CaZrO₃, un diélectrique C0G de classe I. Les terminaisons métalliques fournissent une connexion électrique aux électrodes et facilitent la soudure de ce dispositif à montage en surface (CMS) sur le circuit imprimé.

Figure 3 : Les MLCC, comme ceux de la série HiQ-CBR, sont dotés de couches d'électrodes internes intégrées dans un diélectrique en céramique avec des connexions métalliques aux extrémités. (Source de l'image : KEMET Corporation)

Les matériaux et la construction des condensateurs HiQ-CBR leur confèrent des performances de faibles pertes, comme indiqué par le facteur de qualité Q, qui est l'inverse du facteur de dissipation (DF). Les condensateurs HiQ-CBR, avec des valeurs de capacité de 30 pF ou plus, présentent un facteur Q supérieur ou égal à 1000 lorsqu'ils sont testés à 1 MHz ±100 kHz et 1,0 ±0,2 V_RMS. Pour les condensateurs de cette ligne de produits avec une capacité inférieure, Q = 400 + 20C, où C est la valeur de capacité.

Les ingénieurs qui conçoivent des dispositifs électroniques pour les applications RF haute fréquence recherchent également des condensateurs à faible résistance série équivalente (ESR) et à faible inductance série équivalente (ESL), contribuant à une fréquence propre (SRF) élevée. La fréquence propre est la fréquence à laquelle la résonance dans le condensateur lui fait perdre sa capacité et le conduit à agir comme une inductance. La fréquence propre doit donc être bien supérieure à la fréquence de fonctionnement. Les condensateurs HiQ-CBR ont des fréquences propres s'étendant de 600 MHz pour les condensateurs de 100 pF à 12 000 MHz pour les condensateurs de 0,1 pF.

Les condensateurs HiQ-CBR sont conçus pour être soudés sur des circuits imprimés standard en utilisant la finition en étain mat de leurs terminaisons. Ils sont disponibles dans des tailles de boîtier courantes, y compris 0201 (5,08 mm x 2,54 mm), 0402 (10,16 mm x 5,08 mm), 0603 (15,24 mm x 7,62 mm) et 0805 (20,32 mm x 12,7 mm). Ils sont certifiés sans plomb et conformes à RoHS.

Les condensateurs avec les caractéristiques de performances et les facteurs de forme disponibles dans la série HiQ-CBR fonctionnent bien dans les réseaux de télécommunications et les stations de base cellulaires 5G ainsi que dans les amplificateurs de puissance (PA) RF, les réseaux locaux sans fil (LAN), les réseaux de système de positionnement mondial (GPS) et les communications Bluetooth. Ces condensateurs sont également utilisés dans les opérations de traitement des signaux telles que le blocage CC, le filtrage, l'adaptation d'impédance, le couplage et la dérivation.

Pour réduire les interférences et le bruit de signal, les concepteurs peuvent ajouter un produit tel que le FLEX SUPPRESSOR® pour Wi-Fi et 5G de KEMET. Ce composite polymère-métal sous forme de feuille ou de rouleau (Figure 4) contient une poudre magnétique à l'échelle du micron dispersée dans la base polymère flexible pour supprimer les ondes électromagnétiques ou la résonance, améliorer la convergence du flux magnétique ou réduire le bruit généré par les dispositifs électroniques aux fréquences des bandes 5G, de 3 GHz à 40 GHz.

Figure 4 : Le FLEX SUPPRESSOR® pour Wi-Fi et 5G est un polymère flexible mélangé à des poudres magnétiques à l'échelle du micron. Les utilisateurs peuvent découper les feuilles à la taille souhaitée pour réduire la résonance électromagnétique ou favoriser la convergence du flux magnétique. (Source de l'image : KEMET Corporation)

Condensateurs pour l'infrastructure 5G au-delà des oscillateurs

Les condensateurs sont également présents dans de nombreuses autres applications d'infrastructure 5G telles que les convertisseurs CC/CC, la protection contre les pertes de puissance, les disques SSD, les routeurs et les commutateurs. Les condensateurs électrolytiques polymère, reconnus pour leurs valeurs de capacité élevées, et les condensateurs à film métallisé, capables de gérer les courants ondulés, fonctionnent mieux ou avec un rendement volumétrique supérieur que les MLCC dans certaines applications.

La série T523 de KEMET (Figure 5) présente des condensateurs électrolytiques polymère. Dans ces condensateurs, un noyau de tantale, l'anode, est entouré d'une couche diélectrique d'oxyde de tantale (Ta₂O₅), puis d'une couche d'électrolyte polymère conducteur contenant également du tantale. Cette couche, combinée à une troisième couche de carbone et à une quatrième couche d'argent, forme la cathode.

Figure 5 : Les condensateurs électrolytiques polymère T523 sont dotés d'une anode en tantale et d'un électrolyte tantale-polymère formant une partie de la cathode. Le boîtier en époxy moulé se fixe aux circuits imprimés par montage en surface (CMS). (Source de l'image : KEMET Corporation)

Les condensateurs série T523 ont des valeurs de capacité s'étendant de 47 µF à 1000 µF, stables sur leur tension nominale de 6,3 V à 35 V. Leurs valeurs ESR sont considérées comme faibles, de 30 mΩ à 100 mΩ, contribuant à cette stabilité, jusqu'à leur fréquence nominale de 1 MHz.

La technologie d'électrolyte polymère est également utilisée dans les condensateurs organiques polymère aluminium série A798 de KEMET (Figure 6). Ces condensateurs utilisent une cathode en polymère conducteur solide associée à une anode en aluminium pour atteindre une capacité de 470 µF stable sur des tensions de fonctionnement de 2 V à 2,5 V. Les valeurs ESR de ces condensateurs varient de 3 mΩ à 9 mΩ, les valeurs ESR les plus basses se produisant lorsque la capacité atteint un pic à des fréquences d'environ 100 kHz.

Figure 6 : Les condensateurs électrolytiques polymère série A798 sont dotés d'une anode en aluminium et d'une cathode en aluminium polymère. Les condensateurs résultants présentent une excellente stabilité en température et une haute capacité. (Source de l'image : KEMET Corporation)

Comme les MLCC, ces deux types de condensateurs sont répertoriés pour fonctionner de -55°C à +125°C. Cependant, contrairement aux MLCC, les condensateurs à base de polymère ont une durée de vie limitée qui dépend de l'humidité et de la température de fonctionnement. Les condensateurs T523 sont répertoriés pour 2000 heures à leur tension nominale et à +85°C, tandis que les condensateurs A798 ont une durée de vie de plus de 5500 heures à +125°C et à leur tension nominale lorsqu'ils sont formulés pour une durée de vie étendue. Les deux types de condensateurs présentent un durée de vie attendue de 10 ans ou plus à la tension nominale pour des températures inférieures à +85°C.

Les deux lignes de condensateurs électrolytiques polymère sont compatibles avec le montage en surface et sont disponibles dans des tailles similaires, avec des longueurs de 3,51 mm à 7,29 mm, des largeurs de 2,79 mm à 5,99 mm et des hauteurs de 1,09 mm à 2,79 mm. Offrant des capacités supérieures de plusieurs ordres de grandeur à celles des MLCC, ces condensateurs électrolytiques polymère présentent un haut rendement volumétrique. Dans les applications dans lesquels ils peuvent être utilisés, les condensateurs électrolytiques polymère peuvent fournir une capacité identique ou supérieure avec une empreinte plus petite par rapport aux MLCC.

Un autre type de condensateur fréquemment utilisé dans les convertisseurs CC/CC est le condensateur pour impulsions à film métallisé (Figure 7), qui fonctionne de manière électrostatique plutôt qu'électrolytique. Ces condensateurs sont constitués de couches de diélectrique à film polypropylène non conducteur, qui est recouvert de métal sur une face, intercalé avec du polyester recouvert de métal, ou recouvert d'une feuille métallique.

Figure 7 : Les condensateurs à film métallisé sont généralement installés sur les circuits imprimés grâce à la technologie de montage traversant (THT). Leur faible facteur de dissipation leur permet de gérer des applications à valeurs dv/dt élevées et de forts courants ondulés lors de la conversion de puissance. (Source de l'image : KEMET Corporation)

Les condensateurs pour impulsions à film métallisé disponibles chez KEMET sont disponibles dans un large éventail de tailles et de propriétés pour s'adapter à de nombreuses applications d'infrastructure 5G. Les ingénieurs peuvent choisir un produit en fonction de sa capacité entre 40 pF et 100 µF et de sa tension CC entre 100 V et 2500 V (Figure 8). La résistance ESR pour ce type de condensateur s'étend de 0,5 mΩ à 6,366 Ω.

Leur empreinte s'étend de seulement 7,19 mm x 2,49 mm à 41,5 mm x 30 mm. La plupart des condensateurs pour impulsions à film métallisé sont fixés sur les circuits imprimés par montage traversant, de sorte qu'ils ont un profil légèrement plus élevé de 5,99 mm à 45,11 mm.

Figure 8 : Les condensateurs à film métallisé sont constitués d'un diélectrique à film polypropylène en alternance avec du métal. Ces condensateurs sont fixés sur les circuits imprimés par montage traversant. (Source de l'image : KEMET Corporation)

Conclusion

La conception d'une infrastructure de télécommunications 5G présente de nombreux défis pour atteindre les avantages annoncés. Les condensateurs de tous types, qu'il s'agisse de MLCC à faible capacité pour les hautes fréquences, de condensateurs électrolytiques polymère avec une capacité supérieure de plusieurs ordres de grandeur, ou de condensateurs à film métallisé qui résistent aux variations de tension et aux courants ondulés, ont un rôle à jouer dans l'infrastructure 5G d'aujourd'hui et de demain.