Le caratteristiche di frequenza completa, i requisiti di trasmissione ad alta-velocità e la complessa architettura RF della comunicazione 5G determinano che il PCB della normale scheda fr4 non può soddisfare i requisiti prestazionali. La scheda PCB ad alta frequenza è la base hardware fondamentale per il funzionamento stabile della rete 5G e il principio fisico alla base ruota completamente attorno alla legge di trasmissione dei segnali ad alta frequenza.
Le caratteristiche fisiche ad alta frequenza dei segnali 5G impongono aggiornamenti PCB
La corrispondenza tra frequenza e lunghezza d'onda: il 5G copre le bande di frequenza delle onde millimetriche Sub-6GHz e FR2 (24-40GHz) e la lunghezza d'onda corrispondente è ridotta da un livello centimetrico a un livello millimetrico. Il percorso e lo spessore dielettrico dei normali circuiti stampati sono già allo stesso livello della lunghezza d'onda del segnale, il che può facilmente causare gravi riflessioni del segnale e perdite di radiazioni.
Il limite fisico superiore della velocità di trasmissione: la velocità di picco del singolo canale 5G può raggiungere 10 Gbps o più e il tempo di salita del segnale è notevolmente ridotto. L'effetto dei parametri distribuiti del PCB tradizionale verrà notevolmente amplificato, portando direttamente al disturbo della temporizzazione del segnale e alla completa chiusura del diagramma a occhio.
La naturale proprietà di elevata perdita delle onde millimetriche: per ogni raddoppio della frequenza, la perdita di trasmissione dei segnali nel mezzo raddoppierà approssimativamente. La perdita delle normali schede fr4 nella banda di frequenza superiore a 10 GHz supererà 3-5 volte quella dei circuiti stampati ad alta-frequenza e non potrà supportare la trasmissione del segnale RF a lunga distanza.
Principi fisici fondamentali dei PCB ad alta frequenza: bassa costante dielettrica (Dk) e bassa perdita dielettrica (Df)
L'effetto fisico della costante dielettrica (Dk): la velocità di trasmissione del segnale è inversamente proporzionale alla radice quadrata della costante dielettrica del materiale. Il valore Dk di materiali come Rogers e PTFE utilizzati nei circuiti stampati ad alta frequenza è stabile tra 2,2-3,5, molto inferiore ai 4,2-4,8 del normale fr4, che può ridurre significativamente il ritardo di trasmissione del segnale e garantire la sincronizzazione temporale del segnale multicanale.
Il valore fondamentale della perdita dielettrica (Df): il valore Df del circuito stampato ad alta-frequenza è generalmente inferiore a 0,005 e alcuni materiali a bassissima perdita-possono arrivare fino a 0,001. Nella banda di frequenza delle onde millimetriche, la perdita di segnale dell'unità di pollice può essere controllata entro 0,3 dB, evitando una grande quantità di assorbimento di energia da parte del mezzo durante la trasmissione dei segnali RF.
Requisiti di stabilità per Dk/Df: l'intervallo di temperatura operativa delle stazioni base 5G copre -40 gradi ~125 gradi e la fluttuazione Dk dei materiali PCB ad alta-frequenza è inferiore o uguale a 0,2 nell'intero intervallo di temperature, senza deriva dell'impedenza dovuta ai cambiamenti della temperatura ambientale, garantendo la precisione del beamforming degli array MIMO su larga scala.
La logica fisica sottostante all'impedenza controllata e all'integrità del segnale
Requisiti rigorosi di adattamento dell'impedenza: il requisito di tolleranza dell'impedenza per i collegamenti RF 5G è controllato entro ± 3%. Il circuito stampato ad alta frequenza raggiunge un controllo dell'impedenza ad alta-precisione del routing RF di 50 Ω e del routing differenziale di 90 Ω controllando accuratamente lo spessore e la larghezza della linea del mezzo, riducendo il deterioramento del rapporto delle onde stazionarie ed evitando la riflessione del segnale nei collegamenti di trasmissione e ricezione.
Design fisico per eliminare la diafonia del segnale: la velocità del collegamento Serdes ad alta-velocità del 5G può raggiungere 100 Gbps. I circuiti stampati ad alta frequenza possono ridurre significativamente l'accoppiamento del campo elettrico tra le linee ed evitare la diafonia del segnale tra canali ad alta velocità adiacenti-facendo riferimento al piano di terra completo e controllando la spaziatura dei cavi in modo che sia più di tre volte la larghezza della linea nella progettazione fisica.
Adattamento e ottimizzazione dell'effetto pelle: la corrente dei segnali ad alta-frequenza è concentrata solo in un sottile strato di livello micrometrico sulla superficie del filo. Il PCB ad alta-frequenza utilizza un foglio di rame a bassa rugosità per ridurre la perdita del conduttore di oltre il 40% alle alte frequenze, evitando un'ulteriore attenuazione del segnale causata dall'effetto pelle.
Requisiti di adattamento fisico per MIMO massiccio 5G e array a fasi
Requisiti di coerenza di fase multicanale: il-array di antenne su larga scala dell'AAU 5G richiede il controllo della differenza di fase di dozzine o addirittura centinaia di segnali RF entro 5 gradi. L'uniformità del materiale e la precisione della lunghezza di instradamento del PCB ad alta-frequenza possono garantire che il ritardo di trasmissione di ciascun segnale sia altamente coerente, supportando il beamforming ad alta-precisione.
Il vantaggio della struttura fisica dello stacking ibrido: le stazioni base 5G generalmente adottano una struttura ibrida di "strato RF ad alta frequenza- Rogers+strato digitale fr4", che non solo soddisfa i requisiti di bassa perdita dei collegamenti RF, ma bilancia anche la densità di cablaggio e i costi di produzione dei circuiti digitali. Attualmente è la soluzione PCB tradizionale per macro e piccole stazioni 5G.
Il percorso di conduzione fisica della dissipazione del calore: la densità del flusso di calore dei chip dell'amplificatore 5G supera di gran lunga quella dei dispositivi 4G. Il substrato ad alta conduttività termica dei circuiti stampati ad alta frequenza, combinato con fori interrati in metallo e design del canale di dissipazione del calore, può dissipare rapidamente il calore del front-end RF-, evitando la deriva Dk del materiale e guasti del dispositivo alle alte temperature e garantendo un funzionamento stabile a lungo-termine dell'apparecchiatura.