目に見えないつながりが5Gの未来を明らかにする
図1：5Gシステム用の発売移行と完成したテスト検証ボードのクローズアップ
モバイルユーザーの数と高速通信の需要が高まるにつれて、企業や業界団体は24時間体制で課題を解決しようと努力しています。
5Gネットワークは、4G LTEの100倍の高速化とブロードバンド接続速度の10倍の高速化を目指しています。 5Gがコンセプトから現実へと移行するためには、同じ場所に到達する必要のある感動的な要素がたくさんあります。
最前線にいるのは5Gを実装するだけでなく、ネットワークのテストからシステム内の相互接続の更新までのすべてを把握する必要があります。
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図1の詳細
コネクタの精度は、特にデータ転送速度が速くなるにつれて、情報を伝送する回路において重要になります。より高いデータ転送速度を伝送する回路用に最適化されたRF、マイクロ波、およびミリ波（mmWave）コネクタの必要性を予測することは、5Gの将来の開発をサポートするでしょう。
RFコネクタを扱うエンジニアは、コネクタのインピーダンスを他の伝送線路と整合させながら形状、サイズ、および伝送の制約を満たす必要があるため、多面的な設計上の問題に直面します。部品メーカーは5Gアプリケーション向けの製品を非常に迅速に提供してきましたが、高度に最適化された部品を提供することが機会にあります。
周波数が高くなるにつれて、ジオメトリや選択した材料から生じる小さな不規則性が拡大する可能性があるため、インピーダンスの維持はより複雑になります。開発中の5G通信アプリケーション用に設計されたRFコネクタの写真を図1に示します。
重要なのは、通信分野、商業市場、軍事用の40GHzから110GHzまでの高周波アプリケーションを開発するエンジニアを含む顧客向けのシミュレーションを使用することで、これらの重要なRFインフラストラクチャをどのようにさらに最適化できるかです。
RFコネクタの設計
マルチフィジックスシミュレーションにより、Signal Microwaveのチームは各新規顧客が抱える設計上の課題に迅速に対処することができました。ソフトウェアは他の設計ツールと連携して、チームがさまざまな業界の個別の要件を満たす最適化されたコネクタを迅速に開発できるようにします。このアプローチにより、製品化までの時間、全体的な開発コスト、および必要な投資が削減され、デバイス設計者は接続コンポーネントに安全に頼ることができるので、設計の他の重要な側面に集中できます。
簡単に言うと、電気コネクタの設計者は機械部品を取り、それを伝送線路に変えます。 RFコネクタを設計する際の目標は、電気的に見えない部品を構築して、それを他の伝送線路と区別できないようにすることです。これは、抵抗とエネルギー損失の最小要件を満たすことを意味します。
Signal Microwaveの共同創設者であるEric Gebhardは、次のように述べています。「反射の原因となる不一致を最小限に抑えることには興味があります。その結果、歪みや信号の減少が起こります。」
シミュレーションは製造や試験の前にこれを行う方法を提供します。
シミュレーションによる接続
コネクタの一部に対して特定の幾何学的パラメータと所定のインピーダンスを必要とする顧客にとっては、それは設計の残りの部分にそれを知らせるために、コネクタ設計に対する全体的なアプローチが採用される。これには、コネクタの設計を始める前に、回路基板とデバイスの要件全体を検討することが含まれます。
図2：測定された電圧定在波比（VSWR）
チームは通常、Solid Edgeでジオメトリを作成し、それをComsol Multiphysicsソフトウェアにインポートすることから始めます。そこでは、RFモデリング機能を使用してデザインを分析および最適化できます。
シミュレーションにより、測定された電圧定在波比（VSWR）、反射および挿入損失、あるいはミスマッチや予期せぬ不連続性による電力損失（最小化する必要がある）を特定することができます。
たとえば、Signal Microwaveコンポーネントを搭載したテスト回路基板のVSWRの測定値はシミュレーション結果と一致し、1.5：1未満であることがわかりました。これは、反射率と損失が十分に低いことを示しています（図2）。
図3：シグナルマイクロ波コンポーネントを搭載したテスト回路基板の挿入損失（dBスケールのS 21の値）
損失は急激ではなく、周波数が上がるにつれて徐々に増加することがわかりました（図3）。
マルチフィジックスシミュレーションにより、チームは最小反射を特徴とする無端エッジコネクタのポートフォリオを作成しました。
エッジ起動コネクタ
2つのエッジラウンチコネクタをモデル化し、50Ωの同軸集中ポートで励起および終端しました。接地コプレーナ導波路（ＧＣＰＷ）回路基板は、３．５５の誘電率を有する８ｍｍ基板を用いて構築された。メタライズされたビアは、CPWの一対のグランドプレーンをボトムグランドプレーンに接続します（図4）。
図4：1GHzにおける回路基板上の電界のdBスケールのノルムの等値面プロット
コネクタを電気的に見えないようにするには、パラメータを散乱させ、幾何学的な不連続性を見ることで説明されるように、反射を最小限に抑えます。反射を最小限に抑えるためにジオメトリを調整することに加えて、
誘電材料は、所望のインピーダンスを得るために最適化することができる。場合によっては、Comsolを使用して、コネクタのメインフレームからピンを取り外すのに必要な最小限の力など、追加の構造設計上の考慮事項を評価します。
現実に近い
自動試験装置のために、プロトタイプが構築される前にソフトウェアで作成されたRFモデルで、70GHzのブラインドメイトコネクタが開発されました。驚いたことに、プロトタイプコネクタは期待通りに動作しませんでした。
機械加工した試作品を検査したところ、一つに小さな欠陥が見つかりました。フォレンジックエンジニアリングを使用して、欠陥が元のモデルに追加されました。その変更後、シミュレーションは物理的なテスト結果と一致しました。あなたはそれが私たちの「ユーリカ」の瞬間の1つだったと言えるでしょう。この特定のRFコネクタ設計のように、その結果は特に満足のいくものであり、チームが独自であると信じるいくつかの側面が追加され、コネクタがどのように機能するかを見たがっています。
高忠実度シミュレーションにより、特殊なRFアプリケーション用のカスタムコネクタを自由に設計および構築でき、必要な物理プロトタイプの数を減らし、開発時間を短縮できます。
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