5Gインフラの最初の実質的な配備は、5G機能を宣伝する携帯端末の発売とともに2019年に始まりました。本当の意味でのミリ波5Gの大規模展開はなかなか実現しませんが、大手無線部品メーカーの中には、サブ6GHzとミリ波アクセスの両方を自社製品でサポートしているところもあります。ミリ波スペクトラムへのアクセスが拡大することを見越して、コンポーネントのリリースは、低周波・中周波・高周波の5Gネットワークをサポートするデュアルバンド動作に重点を置いています。

5Gの現在のトレンドは、より大きなデータ・レートと低レイテンシーにアクセスするために、より高い動作周波数に向かって押し進め続けています。システム設計者や製品設計者にとって、より高い周波数は、より専門的な部品でしか解決できない設計上の課題をもたらします。

より高い周波数で動作するデバイスは、より大きなシグナル損失を受けるため、5Gシグナルと相互作用するものは、潜在的に再設計される必要があります。コネクター、アンテナ、ケーブル、筐体はすべて、受信または放送される5Gシグナルと相互作用する可能性があるコンポーネントです。通常、4Gシステムや展開で使用されるコンポーネントや材料は、5Gインフラストラクチャーやデバイスで使用される高い周波数と必ずしも互換性があるとは限りません。

デザインをより小型のフォームファクターに移行させる主なテーマには、次のようなものがあります。

• 高周波アンテナアレイのアンテナ密度の向上
• 5Gコネクティビティは、より多くのバッテリーパワーを必要とし、物理的に大きなバッテリーが必要となるため、デバイスの占有面積が増加する

• 同軸コンポーネントの代替パッケージング戦略と材料
• 5G対応機器における機能密度の向上への要求

こうした幅広いテーマの中で、システムレベルでの小型化はどこで起きているのでしょうか?

5Gデバイスがワイヤレスである以上、アンテナが不可欠なコンポーネントであることは明らかです。アンテナアレイは、動作周波数がそのサイズに反比例するため、高周波では小さく駆動されます。このため、アンテナアレイの小型化が必要となり、PCB製造業者、アンテナ インパッケージモジュールやモデムのパッケージング製造業者、部品製造業者にとってエッチングの困難が生じます。サイズが小さくなると製造が難しくなるため、必要なシグナル用帯域幅をサポートできるコネクターのランドパターンを設計するのが難しくなります。

部品メーカーにとっては、ミリ波対応のアンテナアレイをサポートすることで、機器の小型化が可能になります。これは、システム/製品設計者にとって、基板上の領域を他のコンポーネントのために確保できるため有益です。

5G対応携帯端末で使用されるアンテナアレイは、通常2×2のパッチアンテナアレイです。これらのアレイが小型化されるにつれて、メーカーは、ミリ波領域で使用するコンポーネントを製造する際に、付加的なアプローチを取る必要があります。製造の限界は、より低いDk/低損失の材料で押し下げることができますが、最終的には5G/6G用のアンテナアレイは、標準的な加工や付加加工で確実に製造できる限界に達するでしょう。

基板とコンポーネント間の相互接続は、既製のコネクターまたはカスタムコネクターを使用して構築されます。以前は、一般的にミリ波システムに使用されるコネクターは、5G周波数範囲でシグナルを伝送する唯一の方法であることが多かったため、同軸ケーブルとインターフェイスしていました。携帯電話端末では、かさばる同軸コネクターやケーブルアセンブリーを置くスペースがないため、物理的に小型のコネクターが必要です。そのため、表面実装フレックス/ボード嵌合コネクターシステムが導入されました。

携帯電話では、フレックス対基板間および基板対基板用コネクターのフォームファクターが非常に小さいため、コンポーネントのスタッキングやフレックスリボンケーブルへの接続が可能です。これらのコネクターはしばしば、薄型のフォームファクターで電力とデジタルシグナル、場合によってはRF信号を伝送する必要があります。

サポートするPCBのサイズと関連する動作周波数（データと同軸の両方）は、より小型の基板対基板/フレックス対基板コネクターの使用を余儀なくさせる主な要因です。コネクターを小型化すると、シグナルインテグリティを確保するためにランドパターンを小さくする必要があります。これにより、アセンブリー内のコンポーネントやバッテリーのためのスペースを確保できます。これらのシステムでは、0.5mm未満のランディングパッドピッチを使用することがありますが、これはPCB基板にシグナルを損失させることなくミリ波帯で動作させるために必要なピッチです。

同軸ケーブルとコネクターは、フォームファクターが大きな課題ではなく、最小限の分散と損失でハイパワー用ハンドリングが必要とされる同軸機器に使用されます。標準的な大型フォームファクター（SMAコネクターなど）は、広帯域コネクターランドでミリ波周波数で動作できますが、より高い機能密度と小型展開におけるサイズの制約により、ミリ波帯域で動作できる物理的に小さなコネクターが必要となります。これらのコネクターは、既製のコンポーネントがフォームファクターの目標に達しない場合にカスタマイズされることがあります。

5Gシステムで現れるもう1つの課題は、キャリアアグリゲーションを使用する無線システムでデータ伝送を妨害する受動相互変調（PIM）です。事実、受動的相互変調は「錆びたボルト効果」と呼ばれることもあります。コネクターもPIMの発生源になり得ます。搬送波周波数付近のごくわずかなPIMは、データ伝送速度を低下させるエラーを発生させるのに十分です。

より小型のコネクターやカスタムコネクターの中には、より高い周波数で動作するシステムで不可欠な、より低いPIM値を提供できるものもあります。ミリ波シグナルの損失が大きくなると、システムのリンクバジェットが小さくなり、システムで許容されるPIM仕様が低くなります。このため、PIMが発生する機会を減らすために、コネクターやケーブルアセンブリーを小型化する必要があるかもしれません。

携帯電話、マイクロ/ピコセル、5G対応モジュールに使用される小型コンポーネントには、部品サイズの縮小によって複雑になる別の仕様があります。より小さな部品でより高い周波数に対応しようとする動きがあるため、これらの部品の機械設計や耐久性が複雑になっています。携帯電話や携帯機器は、さまざまな温度の過酷な環境下で常に稼働し続ける必要があるため、環境仕様に適合した部品が必要となります。

• 耐候性と防水性 – 環境にさらされるコンポーネント（特にコネクター）は、信頼性を確保するためにIP6x等級が必要な場合があります。
• 嵌合コネクターの保持 – 保持機構は、振動や機械的衝撃によるシステムの意図しない切断を防止するのに役立ちます。
• コネクターの統合 – 小型デバイスは複数のコネクターを配置するスペースが少ないため、ピンアウトは同じケーブル上で電力とシグナルの両方をサポートする必要があります。

モレックスは、相互接続およびコネクターソリューションを含む、5G対応システム向けのさまざまなエンジニアリングソリューションとコンポーネントを提供しています。モレックスは、システム設計に協力的なアプローチを取り、テストの専門知識とカスタムコンポーネントの設計を提供して、お客様が5G製品を大量生産に拡大できるように支援します。モレックスの目標は、通信業界、IoT、および自動車市場に有用なフォームファクターで、歩留まりが高く、コスト効率の高い製品を製造し、複雑な5Gへの移行をよりスムーズに行えるようにすることです。