Пълните честотни характеристики, изискванията за високо{0}}скоростно предаване и сложната радиочестотна архитектура на 5G комуникация определят, че печатната платка на обикновената платка fr4 не може да отговори на изискванията за производителност. Високочестотната печатна платка е основната хардуерна основа за стабилната работа на 5G мрежата и физическият принцип зад нея изцяло се върти около закона за предаване на високочестотни сигнали.
Високочестотните физически характеристики на 5G сигналите налагат надграждане на PCB
Съответствието между честота и дължина на вълната: 5G покрива честотните ленти Sub-6GHz и FR2 милиметрови вълни (24-40GHz), а съответната дължина на вълната се намалява от ниво сантиметър до ниво милиметър. Маршрутизирането и дебелината на диелектрика на обикновената печатна платка вече са на същото ниво като дължината на вълната на сигнала, което лесно може да причини сериозно отражение на сигнала и загуба на радиация.
Физическата горна граница на скоростта на предаване: Пиковата скорост на 5G единичен канал може да достигне 10 Gbps или повече и времето за нарастване на сигнала е значително съкратено. Ефектът на разпределения параметър на традиционната PCB ще бъде рязко усилен, което директно ще доведе до разстройство на синхронизирането на сигнала и пълно затваряне на диаграмата на очите.
Естественото свойство на милиметровите вълни с големи загуби: при всяко удвояване на честотата загубата на сигнали при предаване в средата ще се удвои приблизително. Загубата на обикновените fr4 платки в честотната лента над 10GHz ще надхвърли 3-5 пъти тази на високо-честотната печатна платка и не може да поддържа предаване на радиочестотен сигнал на дълги разстояния.
Основни физически принципи на високочестотни PCB: ниска диелектрична константа (Dk) и ниска диелектрична загуба (Df)
Физическият ефект на диелектричната константа (Dk): Скоростта на предаване на сигнала е обратно пропорционална на корен квадратен от диелектричната константа на материала. Dk стойността на материали като Роджърс и PTFE, използвани във високочестотни печатни платки, е стабилна между 2,2-3,5, много по-ниска от 4,2-4,8 на обикновения fr4, което може значително да намали забавянето на предаването на сигнала и да осигури многоканална синхронизация на сигнала.
Основната стойност на диелектричните загуби (Df): Стойността на Df на високо{0}}честотните печатни платки обикновено е по-малка от 0,005, а някои материали с ултра-ниски загуби могат да бъдат само 0,001. В честотната лента на милиметровите вълни загубата на сигнал на единица инч може да се контролира в рамките на 0,3 dB, като се избягва поглъщането на голямо количество енергия от средата по време на предаването на RF сигнали.
Изисквания за стабилност за Dk/Df: Работният температурен диапазон на 5G базовите станции обхваща -40 градуса ~125 градуса, а Dk флуктуацията на високо-честотните печатни платки е по-малка или равна на 0,2 в пълния температурен диапазон, без дрейф на импеданса поради промени в температурата на околната среда, гарантирайки точността на формиране на лъча на широкомащабни MIMO масиви.
Физическата основна логика на контролирания импеданс и целостта на сигнала
Строги изисквания за съответствие на импеданса: Изискването за толеранс на импеданса за 5G RF връзки се контролира в рамките на ± 3%. Високочестотната печатна платка постига високо-прецизен контрол на импеданса на 50 Ω RF маршрутизиране и 90 Ω диференциално маршрутизиране чрез точно контролиране на дебелината и ширината на линията на средата, намаляване на влошаването на коефициента на стояща вълна и избягване на отражението на сигнала в предавателните и приемащите връзки.
Физически дизайн за потискане на пресичането на сигнала: Високоскоростната -скорост на връзката Serdes на 5G може да достигне 100 Gbps. Високочестотната печатна платка може значително да намали свързването на електрическо поле между линиите и да избегне пресичането на сигнала между съседни високо-скоростни канали чрез препращане към цялата земна равнина и контролиране на разстоянието на кабелите да бъде повече от три пъти ширината на линията във физическия дизайн.
Адаптиране и оптимизиране на скин-ефекта: Токът на високо{0}}честотните сигнали се концентрира само в тънък слой от микрометър върху повърхността на жицата. Високо{2}}честотната печатна платка използва медно фолио с ниска грапавост, за да намали загубата на проводник с повече от 40% при високи честоти, като избягва допълнително затихване на сигнала, причинено от скин-ефекта.
Изисквания за физическа адаптация за 5G масивна MIMO и фазирана решетка
Изисквания за многоканална фазова последователност: Мащабната-антенна решетка на 5G AAU изисква фазовата разлика на десетки или дори стотици RF сигнали да се контролира в рамките на 5 градуса. Еднородността на материала и точността на дължината на маршрута на високо-честотната печатна платка може да гарантира, че забавянето на предаването на всеки сигнал е силно последователно, поддържайки високо-прецизно формиране на лъч.
Предимството на физическата структура на хибридното подреждане: 5G базовите станции обикновено приемат хибридна структура на „Rogers high-frequency RF слой+fr4 цифров слой“, която не само отговаря на изискванията за ниски загуби на RF връзки, но също така балансира плътността на окабеляването и производствените разходи на цифровите схеми. В момента това е основното решение за PCB за 5G макро и малки станции.
Пътят на физическата проводимост на разсейването на топлината: Плътността на топлинния поток на 5G усилвателните чипове далеч надвишава тази на 4G устройствата. Субстратът с висока топлопроводимост на високочестотните печатни платки, съчетан с метални отвори и дизайн на канала за разсейване на топлината, може бързо да разсее топлината на радиочестотния преден-край, като избягва дрейфа на материала Dk и повреда на устройството при високи температури и осигурява дългосрочна-стабилна работа на оборудването.