Las características de frecuencia completa, los requisitos de transmisión de alta-velocidad y la compleja arquitectura de RF de la comunicación 5G determinan que la PCB de la placa fr4 normal no puede cumplir con sus requisitos de rendimiento. La placa PCB de alta frecuencia es la base del hardware central para el funcionamiento estable de la red 5G, y el principio físico detrás de ella gira completamente en torno a la ley de transmisión de señales de alta frecuencia.
Las características físicas de alta frecuencia de las señales 5G obligan a actualizar las PCB
La correspondencia entre frecuencia y longitud de onda: 5G cubre las bandas de frecuencia de onda milimétrica Sub-6GHz y FR2 (24-40GHz), y la longitud de onda correspondiente se reduce del nivel de centímetros al nivel de milímetros. El enrutamiento y el espesor dieléctrico de una placa de circuito impreso normal ya están al mismo nivel que la longitud de onda de la señal, lo que fácilmente puede provocar graves reflejos de la señal y pérdidas de radiación.
El límite superior físico de la velocidad de transmisión: la velocidad máxima del canal único 5G puede alcanzar 10 Gbps o más, y el tiempo de subida de la señal se acorta considerablemente. El efecto de los parámetros distribuidos de la PCB tradicional se amplificará considerablemente, lo que conducirá directamente a un desorden en la sincronización de la señal y al cierre completo del diagrama del ojo.
La propiedad natural de alta pérdida de las ondas milimétricas: por cada duplicación de la frecuencia, la pérdida de transmisión de señales en el medio se duplicará aproximadamente. La pérdida de las placas fr4 ordinarias en la banda de frecuencia superior a 10 GHz excederá 3-5 veces la de las placas de circuito impreso de alta-frecuencia y no pueden admitir la transmisión de señales de RF a larga distancia.
Principios físicos básicos de la PCB de alta frecuencia: baja constante dieléctrica (Dk) y baja pérdida dieléctrica (Df)
El efecto físico de la constante dieléctrica (Dk): la velocidad de transmisión de la señal es inversamente proporcional a la raíz cuadrada de la constante dieléctrica del material. El valor Dk de materiales como Rogers y PTFE utilizados en placas de circuito impreso de alta frecuencia es estable entre 2,2-3,5, muy por debajo del 4,2-4,8 del fr4 ordinario, lo que puede reducir significativamente el retraso en la transmisión de la señal y garantizar la sincronización de la temporización de la señal multicanal.
El valor central de la pérdida dieléctrica (Df): el valor Df de la placa de circuito impreso de alta-frecuencia es generalmente inferior a 0,005, y algunos materiales de pérdida ultra-baja pueden ser tan bajos como 0,001. En la banda de frecuencia de onda milimétrica, la pérdida de señal por unidad de pulgada se puede controlar dentro de 0,3 dB, evitando una gran cantidad de absorción de energía por parte del medio durante la transmisión de señales de RF.
Requisitos de estabilidad para Dk/Df: el rango de temperatura de funcionamiento de las estaciones base 5G cubre -40 grados ~ 125 grados, y la fluctuación de Dk de los materiales de PCB de alta-frecuencia es menor o igual a 0,2 en todo el rango de temperatura, sin deriva de impedancia debido a cambios de temperatura ambiental, lo que garantiza la precisión de la formación de haces de los conjuntos MIMO a gran escala.
La lógica física subyacente de la impedancia controlada y la integridad de la señal.
Requisitos estrictos de adaptación de impedancia: el requisito de tolerancia de impedancia para enlaces de RF 5G se controla dentro de ± 3 %. La placa de circuito impreso de alta frecuencia logra un control de impedancia de alta-precisión del enrutamiento de RF de 50 Ω y el enrutamiento diferencial de 90 Ω al controlar con precisión el grosor y el ancho de línea del medio, lo que reduce el deterioro de la relación de onda estacionaria y evita el reflejo de la señal en los enlaces de transmisión y recepción.
Diseño físico para suprimir la interferencia de señales: la velocidad del enlace Serdes de alta-velocidad de 5G puede alcanzar los 100 Gbps. La placa de circuito impreso de alta frecuencia puede reducir significativamente el acoplamiento del campo eléctrico entre líneas y evitar la diafonía de señales entre canales adyacentes de alta-velocidad al hacer referencia al plano de tierra completo y controlar el espaciado del cableado para que sea más de tres veces el ancho de la línea en el diseño físico.
Adaptación y optimización del efecto piel: la corriente de las señales de alta-frecuencia solo se concentra en una fina capa de nivel micrométrico en la superficie del cable. La PCB de alta-frecuencia utiliza una lámina de cobre de baja rugosidad para reducir la pérdida del conductor en más de un 40 % en altas frecuencias, evitando la atenuación adicional de la señal causada por el efecto piel.
Requisitos de adaptación física para MIMO masivo 5G y arreglo en fase
Requisitos de coherencia de fase multicanal: el conjunto de antenas-a gran escala de 5G AAU requiere que la diferencia de fase de docenas o incluso cientos de señales de RF se controle dentro de 5 grados. La uniformidad del material y la precisión de la longitud del enrutamiento de la PCB de alta-frecuencia pueden garantizar que el retardo de transmisión de cada señal sea altamente consistente, lo que admite una formación de haces de alta-precisión.
La ventaja de la estructura física del apilamiento híbrido: las estaciones base 5G generalmente adoptan una estructura híbrida de "capa de RF de alta -frecuencia de Rogers + capa digital fr4", que no solo cumple con los requisitos de baja pérdida de los enlaces de RF, sino que también equilibra la densidad del cableado y el costo de fabricación de los circuitos digitales. Actualmente es la solución de PCB principal para estaciones pequeñas y macro 5G.
La ruta de conducción física de la disipación de calor: la densidad de flujo de calor de los chips amplificadores 5G supera con creces la de los dispositivos 4G. El sustrato de alta conductividad térmica de las placas de circuito impreso de alta frecuencia, combinado con orificios metálicos enterrados y un diseño de canal de disipación de calor, puede disipar rápidamente el calor del extremo frontal- de RF, evitando la deriva del material Dk y fallas del dispositivo a altas temperaturas, y garantizando un funcionamiento estable a largo plazo-del equipo.