Soluciones avanzadas de blindaje EMI/térmico para aplicaciones de telecomunicaciones 5G

Por Paul Dawidczyk, Gerente de Ventas del Mercado Global de Telecomunicaciones/TI, División Chomerics de Parker Hannifin

Muchos estarán familiarizados con las promesas de los titulares de la red 5G, como la posibilidad de descargar una película de 2 horas en 3 segundos (en lugar de 6 minutos con la 4G). Sin embargo, antes de que estas palabras de marketing se conviertan en realidad, hay mucho trabajo por hacer. En la actualidad, los principales actores del sector de las telecomunicaciones se esfuerzan por superar una serie de obstáculos técnicos para aprovechar el potencial de la red 5G. Uno de los resultados probables de este trabajo será un mayor número de componentes en espacios más compactos, lo que a su vez plantea la necesidad de soluciones eficaces de compatibilidad electromagnética y mantenimiento térmico.

La tecnología inalámbrica 5G promete ofrecer mayores velocidades máximas de datos de varios Gbps, una latencia ultrabaja, más fiabilidad, una capacidad de red masiva y una mayor disponibilidad. El elevado rendimiento resultante y la mayor eficiencia potenciarán nuevas experiencias de usuario y conectarán nuevas industrias. Con 5G, el pleno potencial del Internet de las cosas (IoT) puede por fin hacerse realidad mediante la conexión de máquinas, objetos, dispositivos y personas.

Diferentes bandas de frecuencia

La red inalámbrica 5G de última generación que se ve en los anuncios no es la 5G disponible en la actualidad. Para entender el porqué, es necesario presentar las tres bandas de frecuencia de la señal.

La red 5G actual es esencialmente una versión avanzada de la 4G. Tiene un poco más de capacidad, pero opera en las mismas frecuencias (700 MHz a 2,6 GHz). Aunque existe una banda de frecuencias de rango medio de 2,5 a 6 GHz, la verdadera promesa de la 5G y su potencial para transformar el mundo tendrá lugar en el ámbito de las frecuencias ultraaltas (25 a 50 GHz), cerca del fondo de la banda de ondas milimétricas.

Uno de los problemas es la falta de definición general de la gama de frecuencias ultraaltas, y este es solo uno de los numerosos problemas. Por ejemplo, las longitudes de transmisión cortas, de metros en lugar de kilómetros, son inherentes a la 5G. Es posible que para alcanzar todo el potencial de la 5G se requiera más infraestructura de red local, quizá en forma de microantenas colocadas en los techos de los edificios o en el alumbrado público (emplazamientos de células pequeñas), que probablemente sean más compactas que las soluciones de la generación anterior. Habrá muchos más puntos de transmisión/recepción que con los actuales requisitos de frecuencia de la 4G.

Una forma de mantener una señal fuerte es aumentar la potencia, pero esto tiene la consecuencia negativa de generar calor en los circuitos integrados (IC) y en las placas de circuito impreso (PCB). Según los informes, las señales 5G también tienen problemas para sortear obstáculos como los árboles frondosos y las ventanas polarizadas. Por lo tanto, el trabajo para superar estos problemas se está llevando a cabo al mismo tiempo que el desarrollo de dispositivos e infraestructura para ayudar a acelerar el tiempo de comercialización.

Requisitos de la infraestructura 5G

La infraestructura que soporta las redes de las que dependen las comunicaciones presenta muchos desafíos de gestión térmica y de protección contra interferencias electromagnéticas. Los equipos como las estaciones base, las antenas y los gabinetes que albergan componentes electrónicos complejos requieren diferentes tecnologías y materiales para mitigar las interferencias electromagnéticas.  Además, se necesitarán materiales de interfaz térmica (TIM) exclusivos de última generación para garantizar que los componentes se mantengan dentro de las temperaturas de funcionamiento especificadas, contribuyendo así a la fiabilidad y longevidad del sistema.

Aunque gran parte de la infraestructura en desarrollo es nueva para las frecuencias ultraaltas en las que funcionará la 5G, los principales proveedores de soluciones de blindaje EMI y de interfaz térmica ya admiten aplicaciones que funcionan a estas frecuencias. Las aplicaciones de gran volumen, como los sistemas de radar para automóviles, operan en el ámbito de los 77 GHz, por ejemplo. Por lo tanto, ya existe la experiencia de cómo proporcionar soluciones eficaces de blindaje EMI e interfaz térmica a los dispositivos de infraestructura en verdaderas frecuencias 5G.

Son buenas noticias para los desarrolladores de soluciones de telecomunicaciones, varios de los cuales buscan actualmente requisitos de blindaje para aplicaciones de frecuencia de hasta 100 GHz. ¿Por qué tan altas? Bueno, si las frecuencias de prueba son de hasta 50 GHz, muchas frecuencias fundamentales intencionales divididas en las tasas de señal digital y los osciladores locales (LO) dentro de los circuitos tienen un contenido armónico mucho mayor en frecuencia.

El fracaso es costoso

Dentro de la mayoría de las carcasas o recintos de la infraestructura 5G hay un transmisor y un receptor, por lo que es necesario el blindaje para que uno no interfiera con el otro. Esta compatibilidad electromagnética (EMC) garantiza que todos los circuitos funcionen en armonía sin interferir entre sí. También hay requisitos de emisiones radiadas a nivel mundial para que las señales se transmitan a través de la antena (transmisor intencional) y no las señales aleatorias que se radian fuera del recinto (radiación no intencional). Las carcasas del sistema también deben estar lo suficientemente selladas (blindadas) para que el circuito interno no esté sujeto a interferencias externas y produzca un mal funcionamiento del sistema. Si no se implementa un blindaje EMI adecuado, el dispositivo podría funcionar mal, operar a menor velocidad o interferir con otros dispositivos/sistemas.

Otro impacto significativo en la capacidad de lograr un blindaje suficiente es que muchos dispositivos de infraestructura 5G son cada vez más pequeños. Hoy en día, las carcasas electrónicas suelen medir alrededor de 500 x 250 x 250 mm, a menudo con una cubierta fundida que actúa como disipador de calor. A veces habrá un sello ambiental/EMI en el exterior, mientras que en el interior habrá todo tipo de juntas más pequeñas y protectores de compartimentos que evitan la diafonía.

Por supuesto, la solución de blindaje óptima es resolver los problemas de EMC mediante el uso de filtros y componentes especiales en las placas de circuitos. El blindaje EMI a través de extrusiones o productos de moldeado en el lugar generalmente sirve para resolver problemas que los ingenieros no pueden resolver. Esto se debe en gran medida a los gastos o al tiempo de comercialización. Sin embargo, el aumento de las frecuencias hará que se necesiten más componentes que absorban las microondas y soluciones tradicionales como las juntas conductoras.

Aparte de los requisitos de protección EMI, es necesario disipar el calor en espacios reducidos para que los componentes del sistema sigan funcionando de forma eficiente, según lo previsto y dentro de los rangos de temperatura deseados. La ausencia de gestión térmica a menudo puede provocar fallos en el dispositivo/sistema, motivo por el cual las soluciones de TIM, como los geles y almohadillas térmicas THERM-A-GAP™ de Parker Chomerics, son fundamentales para el éxito futuro de la 5G.

Más allá de la infraestructura y los dispositivos de telecomunicaciones, las aplicaciones futuras se extenderán a los vehículos autónomos, la tecnología portátil conectada y las soluciones que sustituyan a los actuales sistemas de entretenimiento doméstico por cable.

Decisiones de selección informadas

Cualquier EMI o solución de interfaz térmica estará sujeta a muchos de los parámetros habituales para proyectos de esta naturaleza, incluida la impedancia térmica, el rendimiento del blindaje, el cumplimiento, el peso, el costo, la disponibilidad y los atributos ambientales, como la capacidad de reciclaje. La facilidad de uso y la fiabilidad son consideraciones adicionales en la decisión de compra.

Con estos factores en mente, es esencial trabajar con un socio tecnológico experto, especialmente uno que conozca los requisitos de la aplicación y que ya cuente con soluciones de protección EMI y gestión térmica en el espectro de frecuencias ultraaltas. Otros factores que hay que tener en cuenta a la hora de seleccionar un proveedor son la experiencia en áreas como el desarrollo de productos, las soluciones a la medida, las carcasas electrónicas completas y la gestión de la cadena de suministro. Al fin y al cabo, las colaboraciones estrechas suelen lograr los mejores resultados de los proyectos, desde el concepto inicial hasta el final del ciclo de vida del producto.