5G iletişiminin tam frekans özellikleri, yüksek-hızlı iletim gereksinimleri ve karmaşık RF mimarisi, sıradan fr4 kartının PCB'sinin performans gereksinimlerini karşılayamayacağını belirler. Yüksek frekanslı PCB kartı, 5G ağının istikrarlı çalışması için temel donanım temelidir ve arkasındaki fiziksel prensip, tamamen yüksek frekanslı sinyallerin iletim yasası etrafında döner.
5G sinyallerinin yüksek frekanslı fiziksel özellikleri PCB yükseltmelerini zorunlu kılıyor
Frekans ve dalga boyu arasındaki uyum: 5G, Sub-6GHz ve FR2 milimetre dalga (24-40GHz) frekans bantlarını kapsar ve karşılık gelen dalga boyu santimetre seviyesinden milimetre seviyesine düşürülür. Sıradan baskılı devre kartının yönlendirme ve dielektrik kalınlığı zaten sinyal dalga boyuyla aynı seviyededir ve bu da kolayca ciddi sinyal yansımasına ve radyasyon kaybına neden olabilir.
İletim hızının fiziksel üst sınırı: 5G tek kanalın tepe hızı 10Gbps veya daha fazlasına ulaşabilir ve sinyal yükselme süresi büyük ölçüde kısalır. Geleneksel PCB'nin dağıtılmış parametre etkisi keskin bir şekilde artacak ve doğrudan sinyal zamanlama bozukluğuna ve göz diyagramının tamamen kapanmasına yol açacaktır.
Milimetrik dalgaların doğal yüksek kayıp özelliği: Frekansın her iki katına çıkmasıyla ortamdaki sinyallerin iletim kaybı yaklaşık iki katına çıkar. 10GHz'in üzerindeki frekans bandındaki sıradan fr4 kartlarının kaybı, yüksek-frekanslı baskılı devre kartının kaybının 3-5 katını aşacaktır ve uzun mesafe RF sinyal iletimini destekleyemez.
Yüksek frekanslı PCB'nin temel fiziksel prensipleri: düşük dielektrik sabiti (Dk) ve düşük dielektrik kaybı (Df)
Dielektrik sabitinin fiziksel etkisi (Dk): Sinyal iletim hızı, malzemenin dielektrik sabitinin karekökü ile ters orantılıdır. Yüksek frekanslı baskılı devre kartında kullanılan Rogers ve PTFE gibi malzemelerin Dk değeri, sıradan fr4'ün 4,2-4,8'inden çok daha düşük olan 2,2-3,5 arasında sabittir, bu da sinyal iletim gecikmesini önemli ölçüde azaltabilir ve çok kanallı sinyal zamanlama senkronizasyonunu sağlayabilir.
Dielektrik kaybının temel değeri (Df): Yüksek-frekanslı baskılı devre kartının Df değeri genellikle 0,005'ten azdır ve bazı ultra-düşük kayıplı malzemeler 0,001 kadar düşük olabilir. Milimetre dalga frekans bandında, birim inç sinyal kaybı 0,3dB dahilinde kontrol edilebilir, böylece RF sinyallerinin iletimi sırasında ortam tarafından büyük miktarda enerji emilimi önlenir.
Dk/Df için stabilite gereksinimleri: 5G baz istasyonlarının çalışma sıcaklığı aralığı -40 derece ~125 dereceyi kapsar ve yüksek-frekanslı PCB malzemelerinin Dk dalgalanması, tam sıcaklık aralığında 0,2'den az veya ona eşittir, çevresel sıcaklık değişimlerinden kaynaklanan empedans sapması olmadan, büyük ölçekli MIMO dizilerinin hüzme oluşturma doğruluğunu garanti eder.
Kontrollü empedans ve sinyal bütünlüğünün altında yatan fiziksel mantık
Sıkı empedans eşleştirme gereksinimleri: 5G RF bağlantıları için empedans toleransı gereksinimi ± %3 dahilinde kontrol edilir. Yüksek frekanslı baskılı devre kartı, ortamın kalınlığını ve çizgi genişliğini doğru bir şekilde kontrol ederek, duran dalga oranındaki bozulmayı azaltarak ve iletim ve alım bağlantılarında sinyal yansımasını önleyerek, 50 Ω RF yönlendirme ve 90 Ω diferansiyel yönlendirmenin yüksek-hassas empedans kontrolünü sağlar.
Sinyal karışmasını bastıracak fiziksel tasarım: 5G'nin yüksek-hızlı Serdes bağlantı hızı 100 Gbps'ye ulaşabilir. Yüksek frekanslı baskılı devre kartı, tüm yer düzlemini referans alarak ve kablo aralığını fiziksel tasarımdaki çizgi genişliğinin üç katından fazla olacak şekilde kontrol ederek, hatlar arasındaki elektrik alanı bağlantısını önemli ölçüde azaltabilir ve bitişik yüksek-hızlı kanallar arasındaki sinyal karışmasını önleyebilir.
Kaplama etkisinin uyarlanması ve optimizasyonu: Yüksek-frekans sinyallerinin akımı, telin yüzeyinde yalnızca mikrometre düzeyinde ince bir katmanda yoğunlaşır. Yüksek-frekanslı PCB, yüksek frekanslarda iletken kaybını %40'tan fazla azaltmak için düşük pürüzlü bakır folyo kullanır ve cilt etkisinin neden olduğu ek sinyal zayıflamasını önler.
5G masif MIMO ve aşamalı dizi için fiziksel adaptasyon gereksinimleri
Çok kanallı faz tutarlılığı gereksinimleri: 5G AAU'nun büyük-ölçekli anten dizisi, düzinelerce, hatta yüzlerce RF sinyalinin faz farkının 5 derece dahilinde kontrol edilmesini gerektirir. Yüksek-frekanslı PCB'nin malzeme bütünlüğü ve yönlendirme uzunluğu doğruluğu, yüksek-hassas hüzme oluşturmayı destekleyerek her sinyalin iletim gecikmesinin son derece tutarlı olmasını sağlayabilir.
Hibrit yığınlamanın fiziksel yapı avantajı: 5G baz istasyonları genellikle "Rogers yüksek-frekanslı RF katmanı+fr4 dijital katmanı" hibrit yapısını benimser; bu, yalnızca RF bağlantılarının düşük kayıp gereksinimlerini karşılamakla kalmaz, aynı zamanda dijital devrelerin kablolama yoğunluğunu ve üretim maliyetini de dengeler. Şu anda 5G makro ve küçük istasyonlar için ana akım PCB çözümüdür.
Isı dağılımının fiziksel iletim yolu: 5G amplifikatör çiplerinin ısı akısı yoğunluğu, 4G cihazlarınınkini çok aşıyor. Yüksek frekanslı baskılı devre kartlarının yüksek termal iletkenliğe sahip alt katmanı, metal gömülü delikler ve ısı dağıtma kanalı tasarımıyla birleştiğinde, RF ön ucunun ısısını hızlı bir şekilde dağıtabilir, yüksek sıcaklıklarda malzeme Dk kaymasını ve cihaz arızasını önleyebilir ve ekipmanın uzun-dönem kararlı çalışmasını sağlayabilir.