De fulle frekvensegenskapene, høyhastighetsoverføringskravene og den komplekse RF-arkitekturen til 5G-kommunikasjon bestemmer at PCB-en til et vanlig fr4-kort ikke kan oppfylle ytelseskravene. Høyfrekvent PCB-kort er kjernemaskinvaregrunnlaget for stabil drift av 5G-nettverk, og det fysiske prinsippet bak det dreier seg fullstendig om overføringsloven for høyfrekvente signaler.
De høyfrekvente fysiske egenskapene til 5G-signaler tvinger PCB-oppgraderinger
Korrespondansen mellom frekvens og bølgelengde: 5G dekker frekvensbåndene Sub-6GHz og FR2 millimeterbølge (24-40GHz), og den tilsvarende bølgelengden reduseres fra centimeternivå til millimeternivå. Rutingen og dielektrisk tykkelse på vanlige kretskort er allerede på samme nivå som signalbølgelengden, noe som lett kan forårsake alvorlig signalrefleksjon og strålingstap.
Den fysiske øvre grensen for overføringshastighet: Topphastigheten for 5G-enkeltkanal kan nå 10 Gbps eller mer, og signalets stigetid er kraftig forkortet. Den distribuerte parametereffekten til tradisjonell PCB vil bli kraftig forsterket, noe som direkte fører til signaltidsforstyrrelse og fullstendig lukking av øyediagram.
Den naturlige høytapsegenskapen til millimeterbølger: For hver dobling av frekvensen vil overføringstapet av signaler i mediet omtrent dobles. Tapet av vanlige fr4-kort i frekvensbåndet over 10GHz vil overstige 3-5 ganger det for høyfrekvente kretskort, og kan ikke støtte langdistanse RF-signaloverføring.
Kjernefysiske prinsipper for høyfrekvent PCB: lav dielektrisk konstant (Dk) og lavt dielektrisk tap (Df)
Den fysiske effekten av dielektrisitetskonstanten (Dk): Signaloverføringshastigheten er omvendt proporsjonal med kvadratroten av den dielektriske konstanten til materialet. Dk-verdien til materialer som Rogers og PTFE som brukes i høyfrekvente kretskort er stabil mellom 2,2-3,5, langt lavere enn 4,2-4,8 til vanlig fr4, noe som kan redusere signaloverføringsforsinkelsen betydelig og sikre flerkanals signaltidssynkronisering.
Kjerneverdien for dielektrisk tap (Df): Df-verdien for høy-trykt kretskort er generelt mindre enn 0,005, og noen materialer med ultra-lavt tap kan være så lavt som 0,001. I millimeterbølgefrekvensbåndet kan enhetens tomme signaltapet kontrolleres innenfor 0,3dB, og unngår en stor mengde energiabsorpsjon av mediet under overføring av RF-signaler.
Stabilitetskrav for Dk/Df: Driftstemperaturområdet til 5G-basestasjoner dekker -40 grader ~125 grader, og Dk-fluktuasjonen til høyfrekvente PCB-materialer er mindre enn eller lik 0,2 i hele temperaturområdet, uten impedansdrift på grunn av endringer i miljøtemperaturen, noe som sikrer nøyaktigheten av stråleformingen av MIMO i stor skala.
Den fysiske underliggende logikken til kontrollert impedans og signalintegritet
Strenge krav til impedanstilpasning: Impedanstoleransekravet for 5G RF-koblinger kontrolleres innenfor ± 3 %. Høyfrekvent kretskort oppnår høy-impedanskontroll av 50 Ω RF-ruting og 90 Ω differensialruting ved nøyaktig å kontrollere tykkelsen og linjebredden til mediet, redusere forringelsen av stående bølgeforhold og unngå signalrefleksjon i overførings- og mottakslinkene.
Fysisk design for å undertrykke signalkrysstale: Høyhastighets-Serdes-koblingshastigheten på 5G kan nå 100 Gbps. Høyfrekvent trykt kretskort kan redusere elektrisk feltkobling mellom linjer betydelig og unngå signalkrysstale mellom tilstøtende høyhastighetskanaler ved å referere til hele jordplanet og kontrollere ledningsavstanden til å være mer enn tre ganger linjebredden i fysisk design.
Tilpasning og optimalisering av hudeffekt: Strømmen til høyfrekvente signaler er kun konsentrert i et tynt lag av mikrometernivå på overflaten av ledningen. Det høyfrekvente kretskortet bruker lavruhet kobberfolie for å redusere ledertapet med mer enn 40 % ved høye frekvenser, og unngår ytterligere signaldempning forårsaket av hudeffekt.
Fysiske tilpasningskrav for 5G massiv MIMO og phased array
Krav til flerkanals fasekonsistens: Den store-skala-antennegruppen med 5G AAU krever at faseforskjellen på dusinvis eller til og med hundrevis av RF-signaler kontrolleres innenfor 5 grader. Materialens ensartethet og rutingslengdenøyaktighet til høy-frekvent PCB kan sikre at overføringsforsinkelsen til hvert signal er svært konsistent, og støtter høy-stråleforming.
Den fysiske strukturfordelen med hybrid stabling: 5G-basestasjoner tar vanligvis i bruk en hybridstruktur av "Rogers høy-frekvent RF-lag+fr4 digitalt lag", som ikke bare oppfyller kravene til lavtap til RF-koblinger, men også balanserer ledningstettheten og produksjonskostnadene til digitale kretser. Det er for tiden den vanlige PCB-løsningen for 5G makro og små stasjoner.
Den fysiske ledningsveien for varmespredning: Varmeflukstettheten til 5G-forsterkerbrikker overstiger langt den for 4G-enheter. Det høye termiske konduktivitetssubstratet til høyfrekvente trykte kretskort, kombinert med metallbegravde hull og varmeavledningskanaldesign, kan raskt spre varmen fra RF-fronten-, unngå material-Dk-drift og enhetsfeil ved høye temperaturer, og sikre langsiktig stabil drift av utstyret.