I condensatori sono componenti fondamentali per le infrastrutture di telecomunicazione 5G

Fin da prima della loro introduzione nel 2018, i protocolli di comunicazione cellulare a radiofrequenza (RF) di 5^a generazione (5G) hanno promesso notevoli miglioramenti nel modo in cui i singoli utenti, le macchine industriali e i server di cloud computing inviano e ricevono dati. Lo standard 5G, stabilito dal 3rd Generation Partnership Project (3GPP) per allinearsi ai requisiti dell'International Mobile Telecommunications-2020 (IMT-2020), prevede velocità di trasmissione dati fino a 10 Gbps, da 10 a 100 volte superiori rispetto al precedente standard 4G. Inoltre, richiede una larghezza di banda mille volte superiore per unità di area e ciò offre la connessione a un numero di dispositivi fino a 100 volte superiore rispetto ai protocolli 4G LTE. Al tempo stesso, assicura una disponibilità della rete al 99,999% e un consumo energetico ridotto sia per le stazioni base della rete sia per i dispositivi connessi.

Entro la metà del 2025, saranno oltre 2,25 miliardi le connessioni 5G in tutto il mondo, di cui oltre 182 milioni in Nord America. Gli architetti di rete si stanno orientando verso apparecchiature standalone (SA) che supportano esclusivamente frequenze e protocolli 5G e offrono velocità di upload e download più elevate, nonché il supporto di comunicazioni avanzate dell'Internet delle cose industriale (IIoT) e macchina-macchina (M2M), con una latenza di rete inferiore a 1 ms.

Lo sviluppo di nuove apparecchiature per la realizzazione di infrastrutture 5G ha incrementato la domanda di componenti elettronici di ogni tipo, tra cui l'onnipresente condensatore. Nelle applicazioni 5G, i condensatori hanno molti compiti, tra cui filtrare le frequenze indesiderate e rimuovono le interferenze RF, accoppiarsi con gli induttori per sintonizzare le antenne, disaccoppiare i rail di alimentazione per stabilizzare i livelli di tensione e bilanciare le connessioni dell'antenna. I progettisti di dispositivi e stazioni base cellulari abilitati al 5G devono scegliere condensatori che soddisfino i requisiti di prestazioni, dimensioni e costi di ogni applicazione.

Condensatori per applicazioni di antenna 5G

Le antenne per le infrastrutture 5G supportano tre bande nella regione RF superiore: banda bassa sotto i 2 GHz, banda media da 2 GHz a 6 GHz e banda alta da 24 GHz a 100 GHz. I condensatori ceramici multistrato (MLCC) si accoppiano agli induttori per formare oscillatori di antenna in grado di sintonizzarsi su frequenze radio specifiche. I condensatori per le infrastrutture 5G devono essere in grado di gestire le frequenze più elevate del protocollo (Figura 1).

Figura 1: Gli MLCC sono utilizzati in tutto lo spettro delle comunicazioni RF. Gli ingegneri devono scegliere con cura i condensatori per gestire le correnti RF più elevate utilizzate dall'infrastruttura 5G. (Immagine per gentile concessione di KEMET Corporation)

Una di queste linee di condensatori è la serie HiQ-CBR (Figura 2) di KEMET. I componenti di questa serie hanno valori di capacità da 0,1 pF a 100 pF e sono progettati per il funzionamento a lungo termine a frequenze da 1 MHz a 50 GHz, senza surriscaldamento o perdita delle proprietà capacitive. Poiché i condensatori HiQ-CBR utilizzano un dielettrico di Classe I, possono funzionare a temperature comprese tra -55 °C e +125 °C con variazioni della capacità inferiori a ±30 ppm/°C. Le prestazioni del condensatore sono inoltre stabili nell'intervallo di tensioni c.c. da 6,3 V a 500 V e non sono soggetti all'invecchiamento nel tempo.

Figura 2: I condensatori HiQ-CBR sono MLCC progettati per facilitare le frequenze più elevate utilizzate dall'infrastruttura 5G. Il dielettrico ceramico di Classe I si abbina ai conduttori metallici di base e alle terminazioni rifinite in stagno opaco nei dispositivi a montaggio superficiale (SMD). (Immagine per gentile concessione di KEMET Corporation)

I condensatori HiQ-CBR sono costituiti da diversi strati di elettrodi in metallo base (Figura 3) - in questo caso in rame - separati e inseriti in un materiale ceramico - in questo caso CaZrO₃, un dielettrico C0G di Classe I. Le terminazioni metalliche forniscono un collegamento elettrico agli elettrodi e facilitano la saldatura di questo dispositivo a montaggio superficiale (SMD) sulla scheda a circuiti stampati (PCB).

Figura 3: Gli MLCC, come quelli della serie HiQ-CBR, hanno strati di elettrodi interni incorporati in un dielettrico ceramico con connessioni metalliche alle estremità. (Immagine per gentile concessione di KEMET Corporation)

I materiali e la costruzione dei condensatori HiQ-CBR conferiscono loro prestazioni a basse perdite, come indicato dal fattore di qualità Q, che è l'inverso del fattore di dissipazione (DF). I condensatori HiQ-CBR con valori di capacità pari o superiori a 30 pF hanno un Q maggiore o uguale a 1.000 se testati a 1 MHz ±100 kHz e 1,0 ±0,2 V_RMS. Per i condensatori di questa linea di prodotti con capacità inferiore, Q = 400 + 20C, dove C è il valore di capacità.

I progettisti di elettronica per applicazioni RF ad alta frequenza sono anche alla ricerca di condensatori con bassa resistenza equivalente in serie (ESR) e bassa induttanza equivalente in serie (ESL), che contribuiscono a un'elevata frequenza autorisonante (SRF). La SRF è la frequenza alla quale la risonanza fa perdere la capacità al condensatore e porta quest'ultimo a comportarsi da induttore, quindi la SRF deve essere ben al di sopra della frequenza operativa. I condensatori HiQ-CBR hanno una SRF che va da 600 MHz per i condensatori da 100 pF a 12.000 MHz per i condensatori da 0,1 pF.

I condensatori HiQ-CBR sono destinati alla saldatura su PCB standard utilizzando la finitura in stagno opaco sui terminali. Sono disponibili nei formati più comuni, tra cui 0201 (5,08 x 2,54 mm), 0402 (10,2 x 5,08 mm), 0603 (15,2 x 7,62 mm) e 0805 (20,3 x 12,7 mm). Sono certificati senza piombo e conformi alla normativa RoHS.

I condensatori con le caratteristiche prestazionali e i fattori di forma disponibili nella serie HiQ-CBR funzionano bene nelle stazioni base cellulari 5G e nelle reti di telecomunicazione, oltre che negli amplificatori di potenza RF (PA), nelle reti locali wireless (LAN), nelle reti di un sistema di posizionamento globale (GPS) e nelle comunicazioni Bluetooth. Questi condensatori sono utilizzati anche nelle operazioni di elaborazione del segnale, come il blocco di corrente continua, il filtraggio, l'adattamento di impedenza, l'accoppiamento e il bypass.

Per ridurre le interferenze e il rumore del segnale, i progettisti possono aggiungere un prodotto come FLEX SUPPRESSOR® per banda Wi-Fi e 5G di KEMET. Questo composito polimerico metallico in fogli o rotoli (Figura 4) contiene polvere magnetica di dimensioni micrometriche dispersa nella base polimerica flessibile per sopprimere le onde elettromagnetiche o la risonanza, migliorare la convergenza del flusso magnetico o ridurre il rumore generato dai dispositivi elettronici alle frequenze delle bande 5G, da 3 GHz a 40 GHz.

Figura 4: FLEX SUPPRESSOR® per banda Wi-Fi e 5G è un polimero flessibile miscelato con polveri magnetiche su scala micrometrica. Gli utenti possono tagliare i fogli su misura per ridurre la risonanza elettromagnetica o favorire la convergenza del flusso magnetico. (Immagine per gentile concessione di KEMET Corporation)

Condensatori per l'infrastruttura 5G oltre agli oscillatori

I condensatori sono presenti anche in molte altre applicazioni dell'infrastruttura 5G, come i convertitori c.c./c.c., la protezione dalle perdite di potenza, le unità a stato solido, i router e gli switch. I condensatori elettrolitici polimerici, noti per i loro elevati valori di capacità, e i condensatori a film metallizzato, in grado di gestire le correnti di ripple, in determinate applicazioni offrono prestazioni migliori o un'efficienza volumetrica più elevata rispetto agli MLCC.

Un tipo di condensatore elettrolitico polimerico è la serie T523 di KEMET (Figura 5). In questi condensatori, un nucleo di tantalio - l'anodo - è circondato da uno strato dielettrico di pentossido di tantalio (Ta₂O₅) e da uno strato di elettrolita polimerico conduttivo anch'esso contenente tantalio. Questo strato, combinato con un terzo strato di carbonio e un quarto strato di argento, forma il catodo.

Figura 5: I condensatori elettrolitici polimerici T523 hanno un anodo di tantalio e un elettrolita polimerico di tantalio che fa parte del catodo. L'involucro stampato in resina epossidica si monta sulle PCB con tecnologia di montaggio superficiale (SMT). (Immagine per gentile concessione di KEMET Corporation)

I condensatori serie T523 hanno valori di capacità compresi tra 47 µF e 1.000 µF e sono stabili nell'intervallo di tensione nominale da 6,3 V a 35 V. Le ESR sono considerate basse, da 30 mΩ a 100 mΩ, e contribuiscono a questa stabilità fino alla frequenza nominale di 1 MHz.

La tecnologia di elettrolita polimerico è presente anche nei condensatori organici in alluminio polimerico serie A798 di KEMET (Figura 6). Questi condensatori utilizzano un catodo solido a polimeri conduttivi accoppiato a un anodo in alluminio per ottenere una capacità di 470 µF stabile nelle tensioni di funzionamento da 2 V a 2,5 V. Le ESR di questi condensatori variano da 3 mΩ a 9 mΩ, con i valori ESR più bassi che si verificano quando la capacità raggiunge i picchi a frequenze intorno ai 100 kHz.

Figura 6: I condensatori elettrolitici polimerici serie A798 hanno un anodo in alluminio e un catodo a polimeri di alluminio. I condensatori risultanti hanno un'eccellente stabilità alla temperatura e un'elevata capacità. (Immagine per gentile concessione di KEMET Corporation)

Come gli MLCC, entrambi questi tipi di condensatori sono adatti al funzionamento da -55 °C a +125 °C. Tuttavia, a differenza degli MLCC, i condensatori a base polimerica hanno una vita utile limitata a seconda della temperatura di funzionamento e dell'umidità. I condensatori T523 hanno una durata nominale di 2.000 ore alla tensione nominale e a +85 °C, mentre i condensatori A798 hanno superato 5.500 ore a +125 °C alla tensione nominale, se formulati per una durata prolungata. Entrambi i tipi di condensatori dovrebbero durare 10 anni o più alla tensione nominale per temperature inferiori a +85 °C.

Entrambe le linee di elettroliti polimerici sono compatibili SMT e disponibili in dimensioni simili con lunghezze da 3,51 a 7,29 mm, larghezze da 2,79 a 5,99 mm e altezze da 1,09 a 2,79 mm. Con una capacità elettrica di diversi ordini di grandezza superiore a quella ottenibile con gli MLCC, questi condensatori elettrolitici polimerici hanno un'elevata efficienza volumetrica. Nelle applicazioni adatte, i condensatori elettrolitici polimerici possono fornire una capacità uguale o superiore in un ingombro minore rispetto agli MLCC.

Un altro tipo di condensatore frequentemente utilizzato nei convertitori c.c./c.c. è il condensatore a impulsi a film metallizzato (Figura 7), che funziona per via elettrostatica anziché elettrolitica. Questi condensatori sono realizzati con strati di dielettrico in film di polipropilene non conduttivo, rivestito di metallo su un lato, intervallato da poliestere rivestito di metallo o stratificato con una lamina metallica.

Figura 7: I condensatori a film metallizzato sono tipicamente fissati alle PCB con la tecnologia a foro passante (THT). I loro bassi fattori di dissipazione consentono di gestire applicazioni ad alto dV/dt e correnti di ripple nella conversione di potenza. (Immagine per gentile concessione di KEMET Corporation)

I condensatori a impulsi a film metallizzato offerti da KEMET sono disponibili in diverse dimensioni e proprietà per adattarsi a molte applicazioni delle infrastrutture 5G. I tecnici possono scegliere un prodotto in base alla capacità compresa tra 40 pF e 100 µF e alla tensione c.c. compresa tra 100 V e 2.500 V (Figura 8). Le ESR di questo tipo di condensatore vanno da 0,5 mΩ a 6,366 Ω.

L'ingombro può essere compatto, 7,19 x 2,49 mm, o grande, 41,5 x 30 mm. La maggior parte dei condensatori a impulsi a film metallizzato si monta sulle PCB a foro passante, quindi ha un profilo leggermente più alto, da 5,99 a 45,1 mm.

Figura 8: I condensatori a film metallizzato hanno un dielettrico in film di polipropilene rivestito di metallo e si montano alle PCB con THT. (Immagine per gentile concessione di KEMET Corporation)

Conclusione

La progettazione dell'infrastruttura di telecomunicazione 5G presenta molte sfide che controbilanciano i vantaggi promessi. I condensatori di ogni tipo, dagli MLCC a bassa capacità per le alte frequenze ai condensatori elettrolitici polimerici con capacità di ordine di grandezza superiore, fino ai condensatori a film metallizzato resistenti alle variazioni di tensione e alle correnti di ripple, rivestono un ruolo importante nelle infrastrutture 5G, oggi e in futuro.