Úplné frekvenčné charakteristiky, požiadavky na vysoko{0}}rýchlostný prenos a zložitá RF architektúra komunikácie 5G určujú, že PCB bežnej dosky fr4 nemôže spĺňať jej výkonnostné požiadavky. Vysokofrekvenčná doska PCB je základným hardvérovým základom pre stabilnú prevádzku siete 5G a jej fyzikálny princíp sa úplne točí okolo zákona o prenose vysokofrekvenčných signálov.
Vysokofrekvenčné fyzikálne charakteristiky signálov 5G si vynucujú upgrade PCB
Korešpondencia medzi frekvenciou a vlnovou dĺžkou: 5G pokrýva frekvenčné pásma Sub-6GHz a FR2 (24-40GHz) a zodpovedajúca vlnová dĺžka je znížená z úrovne centimetra na úroveň milimetra. Smerovanie a hrúbka dielektrika bežnej dosky s plošnými spojmi sú už na rovnakej úrovni ako vlnová dĺžka signálu, čo môže ľahko spôsobiť vážny odraz signálu a stratu žiarenia.
Fyzická horná hranica prenosovej rýchlosti: Špičková rýchlosť jedného kanála 5G môže dosiahnuť 10 Gbps alebo viac a čas nárastu signálu sa výrazne skráti. Účinok distribuovaných parametrov tradičnej dosky plošných spojov bude ostro zosilnený, čo priamo povedie k poruche časovania signálu a úplnému uzavretiu diagramu oka.
Prirodzená vlastnosť vysokej straty milimetrových vĺn: pri každom zdvojnásobení frekvencie sa prenosová strata signálov v médiu približne zdvojnásobí. Strata bežných dosiek fr4 vo frekvenčnom pásme nad 10 GHz presiahne 3-5-násobok straty vysokofrekvenčných dosiek plošných spojov a nemôže podporovať prenos RF signálu na veľké vzdialenosti.
Základné fyzikálne princípy vysokofrekvenčných PCB: nízka dielektrická konštanta (Dk) a nízka dielektrická strata (Df)
Fyzikálny účinok dielektrickej konštanty (Dk): Rýchlosť prenosu signálu je nepriamo úmerná druhej odmocnine dielektrickej konštanty materiálu. Hodnota Dk materiálov, ako sú Rogers a PTFE, ktoré sa používajú vo vysokofrekvenčných doskách plošných spojov, je stabilná medzi 2,2-3,5, čo je oveľa menej ako 4,2-4,8 bežného fr4, čo môže výrazne znížiť oneskorenie prenosu signálu a zabezpečiť synchronizáciu časovania viackanálového signálu.
Základná hodnota dielektrickej straty (Df): Hodnota Df vysoko-dosky s plošnými spojmi je vo všeobecnosti nižšia ako 0,005 a niektoré ultra{2}}nízkostratové materiály môžu byť až 0,001. Vo frekvenčnom pásme milimetrových vĺn môže byť strata signálu v jednotke palca kontrolovaná v rozmedzí 0,3 dB, čím sa zabráni veľkému množstvu absorpcie energie médiom počas prenosu RF signálov.
Požiadavky na stabilitu pre Dk/Df: Rozsah prevádzkových teplôt 5G základňových staníc pokrýva -40 stupňov ~125 stupňov a fluktuácia Dk vysokofrekvenčných materiálov PCB je menšia alebo rovná 0,2 v celom rozsahu teplôt, bez driftu impedancie v dôsledku zmien teploty prostredia, čo zaisťuje presnosť tvarovania lúčov polí MIMO veľkých rozmerov.
Fyzická základná logika riadenej impedancie a integrity signálu
Prísne požiadavky na impedančné prispôsobenie: Požiadavka tolerancie impedancie pre 5G RF spojenia je kontrolovaná v rozmedzí ± 3%. Vysokofrekvenčná doska plošných spojov dosahuje vysoko-presné riadenie impedancie 50 Ω RF smerovania a 90 Ω diferenciálneho smerovania presným riadením hrúbky a šírky čiary média, čím sa znižuje zhoršenie pomeru stojatých vĺn a zabraňuje sa odrazu signálu vo vysielacom a prijímacom spojení.
Fyzický dizajn na potlačenie presluchov signálu: Vysoká-rýchlosť pripojenia Serdes 5G môže dosiahnuť 100 Gb/s. Vysokofrekvenčná doska s plošnými spojmi môže výrazne znížiť väzbu elektrického poľa medzi vedeniami a vyhnúť sa presluchom signálu medzi susednými vysokorýchlostnými kanálmi- tým, že odkazuje na celú základnú rovinu a riadi rozstup vodičov tak, aby bol viac ako trojnásobok šírky vedenia vo fyzickom dizajne.
Prispôsobenie a optimalizácia efektu pokožky: Prúd vysoko-frekvenčných signálov sa sústreďuje iba v tenkej vrstve mikrometra na povrchu drôtu. Vysokofrekvenčná doska plošných spojov využíva medenú fóliu s nízkou drsnosťou, aby sa pri vysokých frekvenciách znížila strata vodiča o viac ako 40 %, čím sa zabráni dodatočnému zoslabeniu signálu spôsobenému kožným efektom.
Požiadavky na fyzickú adaptáciu pre 5G masívne MIMO a fázované pole
Požiadavky na viackanálovú fázovú konzistenciu: Veľké-anténne pole 5G AAU vyžaduje, aby fázový rozdiel desiatok alebo dokonca stoviek RF signálov bol ovládaný v rozsahu 5 stupňov . Rovnomernosť materiálu a presnosť dĺžky smerovania vysoko-frekvenčných dosiek plošných spojov môže zabezpečiť, že oneskorenie prenosu každého signálu je vysoko konzistentné a podporuje vysoko presné tvarovanie lúčov.
Výhoda fyzickej štruktúry hybridného stohovania: 5G základňové stanice vo všeobecnosti prijímajú hybridnú štruktúru „vysokofrekvenčnej RF vrstvy Rogers + digitálnej vrstvy fr4“, ktorá nielenže spĺňa požiadavky na nízke straty RF spojov, ale tiež vyrovnáva hustotu zapojenia a výrobné náklady digitálnych obvodov. V súčasnosti je to mainstreamové riešenie PCB pre 5G makro a malé stanice.
Fyzická vodivá dráha rozptylu tepla: Hustota tepelného toku čipov zosilňovača 5G ďaleko prevyšuje hustotu 4G zariadení. Substrát s vysokou tepelnou vodivosťou vysokofrekvenčných dosiek s plošnými spojmi v kombinácii s kovovými otvormi a dizajnom kanálov na odvádzanie tepla dokáže rýchlo rozptýliť teplo predného-konca RF, čím sa zabráni posunu materiálu Dk a zlyhaniu zariadenia pri vysokých teplotách a zabezpečí sa dlhodobá-stabilná prevádzka zariadenia.