นับตั้งแต่เปิดตัวในปี 2018 โปรโตคอลการสื่อสารความถี่วิทยุเซลลูลาร์ (RF) รุ่นที่ 5 (5G) ได้ให้คำมั่นว่าจะปรับปรุงลำดับความสำคัญในวิธีที่ผู้ใช้แต่ละราย เครื่องจักรอุตสาหกรรม และเซิร์ฟเวอร์คอมพิวเตอร์คลาวด์ส่งและรับข้อมูล เพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดของโทรคมนาคมเคลื่อนที่ระหว่างประเทศ-2020 (IMT-2020) โครงการความร่วมมือรุ่นที่สาม (3GPP) จึงได้พัฒนามาตรฐาน 5G ซึ่งระบุอัตราการส่งข้อมูลที่ 10 Gbps ซึ่งเร็วกว่ามาตรฐาน 4G ก่อนหน้าถึง 10 ถึง 100 เท่า เมื่อเปรียบเทียบกับโปรโตคอล 4G LTE แล้ว มาตรฐานนี้ยังต้องการแบนด์วิธเพิ่มขึ้น 1,000 เท่าต่อหน่วยพื้นที่ เพื่อให้สามารถเพิ่มจำนวนอุปกรณ์ที่เชื่อมต่อภายในพื้นที่ได้สูงสุด 100 เท่า ในเวลาเดียวกัน องค์กรยืนกรานที่จะบรรลุความพร้อมใช้งานของเครือข่าย 99.999% ในขณะที่ลดการใช้พลังงานของสถานีฐานและอุปกรณ์ที่เชื่อมต่อ
ภายในกลางปี 2568 จะมีการเชื่อมต่อ 5G มากกว่า 2.25 พันล้านครั้งทั่วโลก โดยมากกว่า 182 ล้านการเชื่อมต่อในอเมริกาเหนือ ปัจจุบัน สถาปนิกเครือข่ายได้หันมาสนใจอุปกรณ์แบบสแตนด์อโลน (SA) ซึ่งรองรับเฉพาะความถี่และโปรโตคอล 5G เท่านั้น สามารถบรรลุความเร็วในการอัพโหลดและดาวน์โหลดที่เร็วขึ้น และรองรับการสื่อสาร Internet of Things (IIoT) ในอุตสาหกรรมขั้นสูงและการสื่อสารแบบเครื่องต่อเครื่อง (M2M) โดยมีเวลาแฝงของเครือข่ายต่ำเพียง 1 ms
การพัฒนาอุปกรณ์ใหม่สำหรับการสร้างโครงสร้างพื้นฐาน 5G ได้กระตุ้นความต้องการชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ต่างๆ รวมถึงตัวเก็บประจุที่มีอยู่ทั่วไป ในการใช้งาน 5G ตัวเก็บประจุเป็นอุปกรณ์อเนกประสงค์ที่สามารถกรองความถี่ที่ไม่ต้องการและกำจัดการรบกวนความถี่วิทยุ จับคู่กับตัวเหนี่ยวนำเพื่อควบคุมเสาอากาศ แยกรางส่งกำลังเพื่อรักษาระดับแรงดันไฟฟ้าให้คงที่ และปรับสมดุลการเชื่อมต่อเสาอากาศ เมื่อออกแบบอุปกรณ์ 5G และสถานีฐานเซลลูลาร์ วิศวกรจะต้องเลือกตัวเก็บประจุที่เหมาะสมเพื่อให้ตรงตามข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพ ขนาด และต้นทุนเฉพาะของแต่ละแอปพลิเคชัน
ตัวเก็บประจุสำหรับการใช้งานเสาอากาศ 5G
เสาอากาศของโครงสร้างพื้นฐาน 5G รองรับย่านความถี่สามย่านความถี่ในภูมิภาค RF ที่สูงกว่า ได้แก่ ย่านความถี่ต่ำที่ต่ำกว่า 2 GHz ย่านความถี่กลางระหว่าง 2 GHz ถึง 6 GHz และย่านความถี่สูงระหว่าง 24 GHz ถึง 100 GHz ด้วยการจับคู่ตัวเก็บประจุเซรามิกหลายชั้น (MLCC) กับตัวเหนี่ยวนำเพื่อสร้างออสซิลเลเตอร์เสาอากาศ คุณจึงสามารถปรับความถี่วิทยุเฉพาะได้ ตัวเก็บประจุของโครงสร้างพื้นฐาน 5G จะต้องสามารถรองรับความถี่ที่สูงขึ้นของโปรโตคอลได้ (รูปที่ 1)
การประยุกต์ใช้ MLCC ในสาขาการสื่อสาร RF
รูปที่ 1: MLCC ใช้กันอย่างแพร่หลายในด้านการสื่อสาร RF วิศวกรจะต้องเลือกตัวเก็บประจุอย่างระมัดระวังเพื่อจัดการกระแส RF ที่สูงขึ้นในโครงสร้างพื้นฐาน 5G (แหล่งรูปภาพ: KEMET Corporate)
ตัวเก็บประจุซีรีส์ HiQ CBR ของ KEMET (รูปที่ 2) เป็นหนึ่งในนั้น ความจุของตัวเก็บประจุซีรีย์นี้มีตั้งแต่ 0.1 pF ถึง 100 pF และสามารถทำงานเป็นเวลานานในช่วงความถี่ 1 MHz ถึง 50 GHz โดยไม่ร้อนเกินไปหรือสูญเสียคุณลักษณะความจุ เนื่องจากการใช้ไดอิเล็กทริก Class I ตัวเก็บประจุ HiQ CBR จึงสามารถทำงานภายในช่วงอุณหภูมิ -55 ° C ถึง +125 ° C โดยมีการเปลี่ยนแปลงความจุน้อยกว่า ± 30 ppm/° C ภายในช่วงแรงดันไฟฟ้า DC 6.3 V ถึง 500 V ตัวเก็บประจุนี้ยังสามารถรักษาประสิทธิภาพที่เสถียรมากโดยไม่เสื่อมสภาพ
ตัวเก็บประจุ KEMET HiQ CBR
รูปที่ 2: ตัวเก็บประจุ HiQ CBR คือ MLCC ที่ออกแบบมาสำหรับความถี่ที่สูงขึ้นที่ใช้ในโครงสร้างพื้นฐาน 5G อุปกรณ์ยึดบนพื้นผิว (SMD) นี้ใช้ไดอิเล็กทริกเซรามิก Class I จับคู่กับตัวนำโลหะฐาน และมีฝาปิดปลายเคลือบดีบุกเคลือบด้าน (แหล่งรูปภาพ: KEMET Corporation)
ตัวเก็บประจุ HiQ CBR ประกอบด้วยอิเล็กโทรดโลหะฐานหลายชั้น (รูปที่ 3) วัสดุอิเล็กโทรดเป็นทองแดง และแต่ละชั้นอิเล็กโทรดจะถูกแยกและฝังด้วยวัสดุเซรามิก วัสดุเซรามิกที่นี่คือ Class I C0G ไดอิเล็กทริก CaZrO3 ฝาท้ายโลหะถูกใช้เป็นส่วนเชื่อมต่อทางไฟฟ้าสำหรับอิเล็กโทรด ทำให้ง่ายต่อการบัดกรีอุปกรณ์ยึดพื้นผิว (SMD) เข้ากับแผงวงจรพิมพ์ (PCB)
ชั้นอิเล็กโทรด MLCC ภายในฝังด้วยอิเล็กทริกเซรามิก
รูปที่ 3: ชั้นอิเล็กโทรดภายในของ MLCC (เช่น ผลิตภัณฑ์ซีรีส์ HiQ CBR) ถูกฝังอยู่ในไดอิเล็กทริกเซรามิก โดยมีการเชื่อมต่อด้วยโลหะที่ฝาปิดปลาย (แหล่งรูปภาพ: KEMET Corporation)
ด้วยวัสดุและโครงสร้าง ตัวเก็บประจุ HiQ CBR จึงมีประสิทธิภาพการสูญเสียต่ำ ซึ่งแสดงด้วยปัจจัยด้านคุณภาพ Q ซึ่งเป็นส่วนกลับของปัจจัยการกระจาย (DF) เมื่อทดสอบตัวเก็บประจุ HiQ CBR ด้วยค่าความจุ 30 pF หรือสูงกว่าภายใต้สภาวะ 1 MHz ± 100 kHz และ 1.0 ± 0.2 VRMS ค่า Q ของพวกมันจะมากกว่าหรือเท่ากับ 1000 สำหรับตัวเก็บประจุที่มีค่าความจุต่ำกว่าในชุดผลิตภัณฑ์นี้ Q = 400 + 20C， โดยที่ C คือค่าความจุ
เมื่อออกแบบผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับการใช้งาน RF ความถี่สูง วิศวกรยังมองหาตัวเก็บประจุที่มีความต้านทานอนุกรมเทียบเท่าต่ำ (ESR) และการเหนี่ยวนำอนุกรมเทียบเท่าต่ำ (ESL) ซึ่งสามารถช่วยให้ได้ความถี่เรโซแนนซ์ตัวเองสูง (SRF) SRF คือความถี่ที่ตัวเก็บประจุสะท้อน ส่งผลให้สูญเสียความจุและทำหน้าที่เป็นตัวเหนี่ยวนำ ดังนั้น SRF จะต้องสูงกว่าความถี่ในการทำงานมาก ช่วง SRF ของตัวเก็บประจุ HiQ CBR มีตั้งแต่ 600 MHz (ตัวเก็บประจุ 100 pF) ถึง 12000 MHz (ตัวเก็บประจุ 0.1 pF)
ฝาปิดท้ายของตัวเก็บประจุ HiQ CBR ได้รับการเคลือบด้วยดีบุกด้านและสามารถบัดกรีเข้ากับแผงวงจรพิมพ์มาตรฐานได้ ตัวเก็บประจุประเภทนี้มีขนาดตัวเรือนทั่วไป ได้แก่ 0201 (0.2 "x 0.1"), 0402 (0.4 "x 0.2"), 0603 (0.6 "x 0.3") และ 0805 (0.8 "x 0.5") อุปกรณ์เหล่านี้ผ่านการรับรองไร้สารตะกั่วและเป็นไปตามข้อกำหนด RoHS
ด้วยคุณลักษณะด้านประสิทธิภาพที่เป็นเอกลักษณ์และขนาดภายนอก ตัวเก็บประจุซีรีส์ HiQ CBR มีบทบาทสำคัญในสถานีฐานเซลลูล่าร์ 5G, เครือข่ายการสื่อสาร, เครื่องขยายสัญญาณเสียง RF (PA), เครือข่ายท้องถิ่นไร้สาย (LAN), เครือข่ายระบบกำหนดตำแหน่งบนพื้นโลก (GPS) และการสื่อสารบลูทูธ ตัวเก็บประจุซีรีส์นี้ยังสามารถใช้สำหรับการประมวลผลสัญญาณ เช่น การบล็อก DC, การกรอง, การจับคู่อิมพีแดนซ์, คัปปลิ้ง และบายพาส
เพื่อลดสัญญาณรบกวนและสัญญาณรบกวน นักออกแบบสามารถเพิ่ม KEMET FLEX SUPPRESSOR ® ที่คล้ายกัน วัสดุคอมโพสิตโลหะโพลีเมอร์รูปทรงแผ่นหรือม้วน (รูปที่ 4) ประกอบด้วยอนุภาคแม่เหล็กขนาดไมโครเมตรที่กระจายอยู่ในซับสเตรตโพลีเมอร์ที่ยืดหยุ่น เพื่อยับยั้งคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าหรือการสั่นพ้อง ปรับปรุงการบรรจบกันของฟลักซ์แม่เหล็ก หรือลดเสียงรบกวนที่เกิดจากอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในช่วงความถี่ 5G ตั้งแต่ 3 GHz ถึง 40 GHz