Caracteristicile de frecvență completă, cerințele de transmisie de-înaltă viteză și arhitectura RF complexă a comunicației 5G determină că PCB-ul plăcii fr4 obișnuite nu poate îndeplini cerințele sale de performanță. Placa PCB de înaltă frecvență este baza hardware de bază pentru funcționarea stabilă a rețelei 5G, iar principiul fizic din spatele acesteia se învârte complet în jurul legii de transmisie a semnalelor de înaltă frecvență.
Caracteristicile fizice de înaltă frecvență ale semnalelor 5G forțează upgrade-urile PCB
Corespondența dintre frecvență și lungime de undă: 5G acoperă benzile de frecvență sub-6GHz și FR2 unde milimetrice (24-40GHz), iar lungimea de undă corespunzătoare este redusă de la nivel de centimetru la nivel de milimetru. Rutarea și grosimea dielectrică a plăcii de circuit imprimat obișnuit sunt deja la același nivel cu lungimea de undă a semnalului, ceea ce poate provoca cu ușurință reflexii grave ale semnalului și pierderi de radiație.
Limita superioară fizică a ratei de transmisie: rata de vârf a unui singur canal 5G poate ajunge la 10 Gbps sau mai mult, iar timpul de creștere a semnalului este mult scurtat. Efectul de parametru distribuit al PCB-ului tradițional va fi amplificat brusc, ducând direct la tulburări de sincronizare a semnalului și la închiderea completă a diagramei oculare.
Proprietatea naturală de pierdere mare a undelor milimetrice: pentru fiecare dublare a frecvenței, pierderea de transmisie a semnalelor în mediu se va dubla aproximativ. Pierderea plăcilor fr4 obișnuite în banda de frecvență de peste 10 GHz va depăși de 3-5 ori mai mare decât a plăcilor de circuit imprimat de-înaltă frecvență și nu poate suporta transmisia de semnal RF la distanță lungă.
Principiile fizice de bază ale PCB de înaltă frecvență: constantă dielectrică scăzută (Dk) și pierdere dielectrică scăzută (Df)
Efectul fizic al constantei dielectrice (Dk): Rata de transmisie a semnalului este invers proporțională cu rădăcina pătrată a constantei dielectrice a materialului. Valoarea Dk a materialelor precum Rogers și PTFE utilizate în plăcile de circuite imprimate de înaltă frecvență este stabilă între 2,2-3,5, mult mai mică decât 4,2-4,8 din fr4 obișnuit, ceea ce poate reduce semnificativ întârzierea transmisiei semnalului și poate asigura sincronizarea temporizării semnalului multicanal.
Valoarea de bază a pierderii dielectrice (Df): valoarea Df a plăcii cu circuite imprimate de înaltă frecvență este, în general, mai mică de 0,005, iar unele materiale cu pierderi ultra-scăzute pot fi de până la 0,001. În banda de frecvență a undelor milimetrice, pierderea semnalului unității în inch poate fi controlată cu 0,3 dB, evitând o cantitate mare de absorbție de energie de către mediu în timpul transmiterii semnalelor RF.
Cerințe de stabilitate pentru Dk/Df: intervalul de temperatură de funcționare al stațiilor de bază 5G acoperă -40 grade ~ 125 grade , iar fluctuația Dk a materialelor PCB de înaltă-frecvență este mai mică sau egală cu 0,2 în intervalul complet de temperatură, fără deviație de impedanță din cauza schimbărilor de temperatură a mediului, asigurând precizia matricei MIMO la scară mare.
Logica fizică subiacentă a impedanței controlate și a integrității semnalului
Cerințe stricte de potrivire a impedanței: Cerința de toleranță a impedanței pentru legăturile RF 5G este controlată cu ± 3%. Placa de circuit imprimat de înaltă frecvență realizează un control de înaltă-precizie a impedanței de rutare RF de 50 Ω și rutare diferențială de 90 Ω prin controlul precis al grosimii și lățimii liniei mediului, reducând deteriorarea raportului de unde staționare și evitând reflectarea semnalului în legăturile de transmisie și recepție.
Design fizic pentru a suprima diafonia semnalului:-viteza mare a conexiunii Serdes de 5G poate atinge 100 Gbps. Placa de circuit imprimat de înaltă frecvență poate reduce semnificativ cuplarea câmpului electric între linii și poate evita diafonia semnalului între canalele-de mare viteză adiacente prin referirea la planul de masă complet și controlând distanța dintre cabluri să fie mai mare de trei ori lățimea liniei în designul fizic.
Adaptarea și optimizarea efectului pielii: curentul semnalelor de-frecvență înaltă este concentrat doar într-un strat subțire de nivel micrometric pe suprafața firului. PCB de înaltă frecvență folosește folie de cupru cu rugozitate scăzută pentru a reduce pierderea conductorului cu mai mult de 40% la frecvențe înalte, evitând atenuarea suplimentară a semnalului cauzată de efectul pielii.
Cerințe de adaptare fizică pentru MIMO masiv 5G și matrice fază
Cerințe de consecvență a fazelor cu mai multe canale: -matricea de antene la scară largă a 5G AAU necesită controlarea diferenței de fază de zeci sau chiar sute de semnale RF în interval de 5 grade . Uniformitatea materialului și precizia lungimii de rutare a PCB-ului cu frecvență înaltă-poate asigura că întârzierea transmisiei fiecărui semnal este foarte consistentă, susținând formarea fasciculului de înaltă-precizie.
Avantajul structurii fizice a stivuirii hibride: stațiile de bază 5G adoptă, în general, o structură hibridă de „strat RF de înaltă-frecvență Rogers + strat digital fr4”, care nu numai că îndeplinește cerințele cu pierderi reduse ale legăturilor RF, dar echilibrează și densitatea cablajului și costul de fabricație al circuitelor digitale. În prezent, este soluția PCB de masă pentru stațiile macro și mici 5G.
Calea de conducție fizică a disipării căldurii: densitatea fluxului de căldură a cipurilor de amplificare 5G o depășește cu mult pe cea a dispozitivelor 4G. Substratul cu conductivitate termică ridicată a plăcilor de circuite imprimate de înaltă frecvență, combinat cu găurile îngropate din metal și designul canalului de disipare a căldurii, poate disipa rapid căldura frontului RF-, evitând derivarea materialului Dk și defecțiunea dispozitivului la temperaturi ridicate și asigurând funcționarea stabilă-pe termen lung a echipamentului.