Полные частотные характеристики, требования к высокой-скорости передачи и сложная радиочастотная архитектура связи 5G определяют, что печатная плата обычной платы fr4 не может соответствовать требованиям к производительности. Высокочастотная печатная плата является основной аппаратной основой для стабильной работы сети 5G, а физический принцип, лежащий в ее основе, полностью вращается вокруг закона передачи высокочастотных сигналов.
Высокочастотные физические характеристики сигналов 5G требуют модернизации печатных плат.
Соответствие между частотой и длиной волны: 5G охватывает диапазоны частот миллиметровых волн Sub-6 ГГц и FR2 (24–40 ГГц), а соответствующая длина волны снижается с уровня сантиметра до уровня миллиметра. Маршрутизация и толщина диэлектрика обычной печатной платы уже находятся на том же уровне, что и длина волны сигнала, что может легко привести к серьезному отражению сигнала и потерям излучения.
Физический верхний предел скорости передачи: пиковая скорость одного канала 5G может достигать 10 Гбит/с и более, а время нарастания сигнала значительно сокращается. Эффект распределенных параметров традиционной печатной платы будет резко усилен, что приведет непосредственно к нарушению синхронизации сигнала и полному закрытию глазковой диаграммы.
Естественное свойство высоких потерь миллиметровых волн: при каждом удвоении частоты потери при передаче сигналов в среде увеличиваются примерно вдвое. Потери обычных плат fr4 в полосе частот выше 10 ГГц превысят в 3-5 раз потери высокочастотных печатных плат и не смогут поддерживать передачу радиочастотного сигнала на большие расстояния.
Основные физические принципы высокочастотных печатных плат: низкая диэлектрическая проницаемость (Dk) и низкие диэлектрические потери (Df).
Физический эффект диэлектрической проницаемости (Dk): Скорость передачи сигнала обратно пропорциональна квадратному корню из диэлектрической проницаемости материала. Значение Dk таких материалов, как Роджерс и ПТФЭ, используемых в высокочастотных печатных платах, стабильно в пределах 2,2-3,5, что намного ниже, чем 4,2–4,8 у обычного fr4, что может значительно уменьшить задержку передачи сигнала и обеспечить временную синхронизацию многоканального сигнала.
Основное значение диэлектрических потерь (Df). Значение Df высокочастотных печатных плат обычно меньше 0,005, а в некоторых материалах со сверх-низкими потерями оно может достигать 0,001. В диапазоне частот миллиметровых волн потери сигнала на единицу дюйма можно контролировать в пределах 0,3 дБ, что позволяет избежать большого поглощения энергии средой во время передачи радиочастотных сигналов.
Требования к стабильности для Dk/Df: диапазон рабочих температур базовых станций 5G охватывает -40–125 градусов, а колебания Dk высокочастотных материалов печатных плат меньше или равны 0,2 во всем диапазоне температур, без дрейфа импеданса из-за изменений температуры окружающей среды, что обеспечивает точность формирования луча крупномасштабных массивов MIMO.
Физическая логика контролируемого импеданса и целостности сигнала
Строгие требования к согласованию импеданса: требования к допуску импеданса для радиочастотных каналов 5G контролируются в пределах ± 3%. Высокочастотная печатная плата обеспечивает высокоточное-управление импедансом радиочастотной трассы 50 Ом и дифференциальной трассировки 90 Ом за счет точного контроля толщины и ширины линии среды, уменьшения ухудшения коэффициента стоячей волны и предотвращения отражения сигнала в каналах передачи и приема.
Физическая конструкция для подавления перекрестных помех: скорость высокоскоростного-канала Serdes 5G может достигать 100 Гбит/с. Высокочастотная печатная плата может значительно уменьшить связь электрического поля между линиями и избежать перекрестных помех между соседними высокоскоростными-каналами, ориентируясь на всю плоскость заземления и контролируя расстояние между проводами, которое более чем в три раза превышает ширину линии в физической конструкции.
Адаптация и оптимизация скин-эффекта. Ток высокочастотных-сигналов концентрируется только в тонком слое микрометрового уровня на поверхности провода. В высокочастотной печатной плате используется медная фольга с низкой шероховатостью, что позволяет снизить потери в проводнике более чем на 40 % на высоких частотах и избежать дополнительного ослабления сигнала, вызванного скин-эффектом.
Требования к физической адаптации для массивного MIMO 5G и фазированной решетки
Требования к многоканальной согласованности фазы. Крупномасштабная-антенная решетка AAU 5G требует, чтобы разность фаз десятков или даже сотен радиочастотных сигналов контролировалась в пределах 5 градусов. Однородность материала и точность длины маршрутизации высокочастотной печатной платы могут гарантировать постоянство задержки передачи каждого сигнала, поддерживая высокоточное-формирование луча.
Преимущество физической структуры гибридного стекирования: базовые станции 5G обычно используют гибридную структуру «высокочастотный радиочастотный уровень Роджерса + цифровой уровень fr4», которая не только отвечает требованиям к низким потерям радиочастотных каналов, но также уравновешивает плотность проводки и стоимость производства цифровых схем. В настоящее время это основное решение на печатной плате для макро- и небольших станций 5G.
Физический путь рассеивания тепла: плотность теплового потока чипов усилителя 5G намного превышает плотность теплового потока устройств 4G. Подложка высокочастотных печатных плат с высокой теплопроводностью в сочетании с металлическими отверстиями и конструкцией каналов рассеивания тепла позволяет быстро рассеивать тепло от ВЧ-переднего конца, избегая дрейфа материала Dk и выхода устройства из строя при высоких температурах, а также обеспечивая долгосрочную-стабильную работу оборудования.