Los capacitores son componentes clave del diseño de la infraestructura de telecomunicaciones 5G

Desde antes de que comenzara su implementación en 2018, los protocolos de comunicación por radiofrecuencia (RF) celular de 5^ta generación (5G) han prometido mejoras de órdenes de magnitud en la forma en que los usuarios individuales, las máquinas industriales y los servidores de computación en la nube envían y reciben datos. La norma 5G, establecida por el Proyecto de Asociación de Tercera Generación (3GPP) para ajustarse a los requisitos de Telecomunicaciones Móviles Internacionales-2020 (IMT-2020), exige velocidades de datos de hasta 10 Gbps, de 10 a 100 veces más rápidas que las anteriores normas 4G. También exige un ancho de banda mil veces mayor por unidad de superficie, lo que permite conectar hasta 100 veces más dispositivos en esa zona en comparación con los protocolos LTE 4G. A su vez, insisten en una disponibilidad de la red del 99.999% y un menor consumo de energía tanto para las estaciones base de la red como para los dispositivos conectados.

A mediados de 2025, había más de 2.25 mil millones de conexiones 5G en todo el mundo, incluidos más de 182 millones en América del Norte. Los arquitectos de redes están cambiando a equipos autónomos (SA) compatibles únicamente con frecuencias y protocolos 5G, que ofrecen velocidades de carga y descarga más rápidas, así como compatibilidad con la comunicación avanzada del Internet Industrial de las Cosas (IIoT) y de máquina a máquina (M2M), con una latencia de red tan baja como 1 ms.

El desarrollo de nuevos equipos para construir infraestructuras 5G ha impulsado la demanda de componentes electrónicos de todo tipo, incluido el omnipresente capacitor. En las aplicaciones 5G, los capacitores filtran las frecuencias no deseadas y eliminan las interferencias de radiofrecuencia, se emparejan con inductores para sintonizar antenas, desacoplan rieles de alimentación para estabilizar los niveles de tensión y equilibran las conexiones de antena, entre otras funciones. Los ingenieros que diseñan dispositivos habilitados para 5G y estaciones base celulares deben elegir capacitores que cumplan los requisitos de rendimiento, tamaño y costo de cada aplicación.

Capacitores para aplicaciones de antena 5G

Las antenas para infraestructuras 5G admiten tres bandas en la región superior de RF: banda baja por debajo de 2 GHz, banda media de 2 GHz a 6 GHz y banda alta de 24 GHz a 100 GHz. Los capacitores cerámicos multicapa (MLCC) se combinan con inductores para formar osciladores de antena capaces de sintonizar frecuencias de radio específicas. Los capacitores de la infraestructura 5G deben soportar las frecuencias más altas del protocolo (Figura 1).

Figura 1: Los MLCC se utilizan en todo el espectro de la comunicación por RF. Los ingenieros deben elegir cuidadosamente sus capacitores para gestionar las mayores corrientes de RF utilizadas por la infraestructura 5G. (Fuente de la imagen: KEMET Corporation)

Una de estas líneas de capacitores es la serie HiQ-CBR (Figura 2) de KEMET. Los componentes de esta serie tienen valores de capacitancia de 0.1 pF a 100 pF, y están diseñados para un funcionamiento a largo plazo a frecuencias de 1 MHz a 50 GHz, sin sobrecalentamiento ni pérdida de propiedades capacitivas. Dado que los capacitores HiQ-CBR utilizan un dieléctrico de Clase I, pueden funcionar a temperaturas de -55 °C a +125 °C con cambios de capacitancia inferiores a ±30 ppm/°C. El rendimiento del capacitor también es estable en la gama de tensiones de CC de 6.3 V a 500 V y no experimenta envejecimiento con el paso del tiempo.

Figura 2: Los capacitores HiQ-CBR son MLCC diseñados para facilitar las frecuencias más altas utilizadas por la infraestructura 5G. En los dispositivos de montaje superficial (SMD), un dieléctrico cerámico de Clase I se combina con capacitores metálicos de base y tapas finales acabadas en estaño mate. (Fuente de la imagen: KEMET Corporation)

Los capacitores HiQ-CBR están formados por varias capas de electrodos de metal base (figura 3), en este caso cobre, separadas e incrustadas en una cerámica, en este caso CaZrO₃, un dieléctrico C0G de clase I. Las tapas metálicas proporcionan una conexión eléctrica a los electrodos y facilitan la soldadura de este dispositivo de montaje superficial (SMD) en la placa de circuito impreso (placa CI).

Figura 3: Los MLCC, como los de la serie HiQ-CBR, tienen capas de electrodos internos incrustadas en un dieléctrico cerámico con conexiones metálicas en las tapas de los extremos. (Fuente de la imagen: KEMET Corporation)

Los materiales y la construcción de los capacitores HiQ-CBR les confieren un rendimiento de bajas pérdidas, tal y como denota el factor de calidad Q, que es el inverso del factor de disipación (DF). Los capacitores HiQ-CBR con valores de capacitancia de 30 pF o más tienen un Q mayor o igual a 1,000 cuando se prueban a 1 MHz ±100 kHz y 1.0 ±0.2 V_RMS. Para capacitores de esta línea de productos con menor capacitancia, Q = 400 + 20C, donde C es el valor de la capacitancia.

Los ingenieros que diseñan electrónica para aplicaciones de radiofrecuencia de alta frecuencia también buscan capacitores con baja resistencia en serie equivalente (ESR) y baja inductancia en serie equivalente (ESL), que contribuyen a una alta frecuencia autorresonante (SRF). La SRF es la frecuencia a la que la resonancia en el capacitor hará que pierda su capacitancia y actúe como inductor, por lo que la SRF debe estar muy por encima de la frecuencia de funcionamiento. Los capacitores HiQ-CBR tienen SRF que van desde 600 MHz para capacitores de 100 pF hasta 12,000 MHz para capacitores de 0.1 pF.

Los capacitores HiQ-CBR están diseñados para soldarse en placas de circuito impreso estándar utilizando el acabado de estaño mate de sus tapas. Están disponibles en los tamaños de caja habituales, como 0201 (0.2" por 0.1"), 0402 (0.4" por 0.2"), 0603 (0.6" por 0.3") y 0805 (0.8" por 0.5"). No contienen plomo y cumplen la directiva RoHS.

Los capacitores con las características de rendimiento y los factores de forma disponibles en la serie HiQ-CBR funcionan bien en estaciones base celulares 5G y redes de telecomunicaciones junto con amplificadores de potencia (PA) de RF, redes de área local inalámbricas (LAN), redes del sistema de posicionamiento global (GPS) y comunicaciones Bluetooth. Estos capacitores también se encuentran en operaciones de procesamiento de señales como el bloqueo de CC, el filtrado, la adaptación de impedancias, el acoplamiento y la derivación.

Para reducir las interferencias y el ruido de la señal, los diseñadores pueden añadir un producto como el FLEX SUPPRESSOR® de KEMET para banda Wi-Fi y 5G. Este compuesto de polímero y metal en forma de lámina o rollo (figura 4) contiene polvo magnético de tamaño micrométrico disperso por la base de polímero flexible para suprimir las ondas electromagnéticas o la resonancia, mejorar la convergencia del flujo magnético o reducir el ruido generado por los dispositivos electrónicos en las frecuencias de las bandas 5G, de 3 GHz a 40 GHz.

Figura 4: FLEX SUPPRESSOR® para banda Wi-Fi y 5G es un polímero flexible mezclado con polvos magnéticos a escala micrométrica. Los usuarios pueden cortar las láminas a medida para reducir la resonancia electromagnética o favorecer la convergencia del flujo magnético. (Fuente de la imagen: KEMET Corporation)

Capacitores para la infraestructura 5G más allá de los osciladores

Los capacitores también se encuentran en muchas otras aplicaciones de infraestructura 5G, como convertidores CC/CC, protección contra pérdidas de potencia, unidades de estado sólido, routers y conmutadores. Los capacitores electrolíticos de polímero, conocidos por sus altos valores de capacidad, y los capacitores de película metalizada, que pueden manejar corrientes de rizado, funcionan mejor o con mayor eficiencia volumétrica que los MLCC en determinadas aplicaciones.

Un tipo de capacitor electrolítico de polímero es la serie T523 de KEMET (figura 5). En estos capacitores, un núcleo de tántalo, el ánodo, está rodeado por una capa dieléctrica de pentóxido de tántalo (Ta₂O₅) y, a continuación, por una capa de electrolito polimérico conductor que también contiene tántalo. Esta capa, combinada con una tercera de carbono y una cuarta de plata, forma el cátodo.

Figura 5: Los capacitores electrolíticos de polímero T523 tienen un ánodo de tántalo y un electrolito de polímero de tántalo que forma parte del cátodo. La carcasa de epoxi moldeado se fija a las placas de circuito impreso mediante tecnología de montaje en superficie (SMT) (Fuente de la imagen: KEMET Corporation).

Los capacitores de la serie T523 tienen valores de capacitancia que van de 47 µF a 1,000 µF, que son estables sobre su tensión nominal de 6.3 V a 35 V. Sus ESR se consideran bajas de 30 mΩ a 100 mΩ, lo que contribuye a esta estabilidad, hasta su frecuencia nominal de 1 MHz.

La tecnología de electrolito polimérico también se encuentra en los capacitores orgánicos de aluminio polimérico de la serie A798 de KEMET (Figura 6). Estos capacitores utilizan un cátodo de polímero conductor sólido emparejado con un ánodo de aluminio para lograr una capacitancia de 470 µF estable en tensiones de funcionamiento de 2 V a 2.5 V. Las ESR de estos capacitores oscilan entre 3 mΩ y 9 mΩ, y los valores más bajos de ESR se producen cuando la capacitancia alcanza su valor máximo a frecuencias en torno a 100 kHz.

Figura 6: Los capacitores electrolíticos de polímero de la serie A798 tienen un ánodo de aluminio y un cátodo de polímero de aluminio. Los capacitores resultantes tienen una excelente estabilidad térmica y una alta capacitancia. (Fuente de la imagen: KEMET Corporation)

Al igual que los MLCC, estos dos tipos de capacitores están preparados para funcionar entre -55 °C y +125 °C. Sin embargo, a diferencia de los MLCC, los capacitores basados en polímeros tienen una vida útil finita en función de la temperatura y la humedad de funcionamiento. Los capacitores T523 tienen una vida nominal de 2,000 horas a su tensión nominal y +85 °C, mientras que los capacitores A798 han durado más de 5,500 horas a +125 °C a su tensión nominal cuando se han formulado para una vida útil prolongada. Se espera que ambos tipos de capacitores duren 10 años o más a la tensión nominal para temperaturas inferiores a +85 °C.

Ambas líneas de electrolitos poliméricos funcionan con SMT y vienen en tamaños similares con longitudes de 0.138" a 0.287", anchos de 0.110" a 0.236", y alturas de 0.043" a 0.110". Al poder aceptar varias capacitancias y órdenes de magnitud superiores a las alcanzables con los MLCC, estos capacitores electrolíticos poliméricos tienen una alta eficiencia volumétrica. En las aplicaciones que pueden utilizarlos, los capacitores electrolíticos de polímero pueden suministrar una capacitancia igual o superior en un espacio más reducido que los MLCC.

Otro tipo de capacitor que se utiliza con frecuencia en los convertidores CC/CC es el capacitor de impulsos de película metalizada (Figura 7), que funciona electrostáticamente en lugar de electrolíticamente. Estos capacitores están formados por capas de dieléctrico de película de polipropileno no conductor, bien recubierto de metal por una cara, bien intercalado con poliéster recubierto de metal, o bien con capas de lámina metálica.

Figura 7: Los capacitores de película metalizada suelen fijarse a las placas de circuito impreso con tecnología de orificios pasantes (THT). Sus bajos factores de disipación les permiten gestionar aplicaciones de alta dv/dt y corrientes de rizado en la conversión de potencia. (Fuente de la imagen: KEMET Corporation)

Los capacitores de impulsos de película metalizada disponibles en KEMET vienen en una amplia gama de tamaños y propiedades para adaptarse a muchas aplicaciones de infraestructura 5G. Los ingenieros pueden elegir un producto por capacitancia entre 40 pF y 100 µF y por tensión continua entre 100 V y 2,500 V (Figura 8). Las ESR de este tipo de capacitores oscilan entre 0.5 mΩ y 6.366 Ω.

Su huella puede ser tan pequeña como 0.283" por 0.098" o tan grande como 1.634" por 1.181". La mayoría de los capacitores de impulsos de película metalizada se fijan a las placas de circuito impreso a través de orificios, por lo que tienen un perfil ligeramente más alto, de 0.236" a 1.776".

Figura 8: Los capacitores de película metalizada tienen un dieléctrico de película de polipropileno intercalado con metal. Estos capacitores suelen fijarse a las placas de circuito impreso con THT. (Fuente de la imagen: KEMET Corporation)

Conclusión

El diseño de la infraestructura de telecomunicaciones 5G presenta desafíos a la altura de sus prometidos beneficios. Los capacitores de todo tipo, desde los MLCC de baja capacitancia para altas frecuencias hasta los electrolíticos poliméricos con órdenes de magnitud de mayor capacitancia, pasando por los capacitores de película metalizada que soportan cambios de tensión y corrientes de ondulación, tienen funciones que desempeñar en la infraestructura 5G de hoy y de mañana.