Повні частотні характеристики, вимоги до високо{0}}швидкісної передачі та складна радіочастотна архітектура зв’язку 5G визначають, що друкована плата звичайної плати fr4 не може відповідати вимогам щодо продуктивності. Плата високочастотної друкованої плати є основною апаратною основою для стабільної роботи мережі 5G, і її фізичний принцип повністю обертається навколо закону передачі високочастотних сигналів.
Високочастотні фізичні характеристики сигналів 5G змушують модернізувати друковану плату
Відповідність між частотою та довжиною хвилі: 5G охоплює діапазони частот Sub-6GHz і FR2 міліметрових хвиль (24-40GHz), а відповідна довжина хвилі зменшується від сантиметрового рівня до міліметрового. Маршрутизація та товщина діелектрика звичайної друкованої плати вже на тому ж рівні, що й довжина хвилі сигналу, що може легко спричинити серйозне відображення сигналу та втрату випромінювання.
Фізична верхня межа швидкості передачі: пікова швидкість одного каналу 5G може досягати 10 Гбіт/с або більше, а час наростання сигналу значно скорочується. Ефект розподіленого параметра традиційної друкованої плати буде різко посилений, що безпосередньо призведе до порушення синхронізації сигналу та повного закриття очкової діаграми.
Природна властивість міліметрових хвиль з високими втратами: з кожним подвоєнням частоти втрати сигналів у середовищі приблизно подвоюються. Втрати звичайних плат fr4 у діапазоні частот понад 10 ГГц перевищуватимуть у 3-5 разів, ніж у високочастотних друкованих плат, і не зможуть підтримувати передачу радіочастотного сигналу на великі відстані.
Основні фізичні принципи високочастотної друкованої плати: низька діелектрична проникність (Dk) і низькі діелектричні втрати (Df)
Фізичний ефект діелектричної проникності (Dk): швидкість передачі сигналу обернено пропорційна кореню квадратному з діелектричної проникності матеріалу. Значення Dk таких матеріалів, як Роджерс і PTFE, що використовуються у високочастотних друкованих платах, стабільне між 2,2-3,5, що набагато нижче, ніж 4,2-4,8 звичайного fr4, що може значно зменшити затримку передачі сигналу та забезпечити синхронізацію багатоканального сигналу.
Основне значення діелектричних втрат (Df): значення Df для високочастотних друкованих плат зазвичай менше ніж 0,005, а для деяких матеріалів із ультра-низькими втратами значення може становити лише 0,001. У діапазоні частот міліметрового діапазону втрату сигналу одиниці дюйма можна контролювати в межах 0,3 дБ, уникаючи великого поглинання енергії середовищем під час передачі радіочастотних сигналів.
Вимоги до стабільності для Dk/Df: Діапазон робочих температур базових станцій 5G охоплює -40 градусів ~125 градусів, а флуктуація Dk високочастотних матеріалів друкованої плати менше або дорівнює 0,2 у повному діапазоні температур, без дрейфу імпедансу через зміни температури навколишнього середовища, що забезпечує точність формування променя у великомасштабних масивах MIMO.
Фізична основна логіка контрольованого імпедансу та цілісності сигналу
Суворі вимоги до відповідності імпедансу: вимоги до допустимого опору для радіочастотних ліній 5G контролюються в межах ± 3%. Високочастотна друкована плата забезпечує високо-точне керування імпедансом 50 Ом радіочастотної маршрутизації та 90 Ом диференціальної маршрутизації шляхом точного контролю товщини та ширини лінії середовища, зменшення погіршення коефіцієнта стоячої хвилі та уникнення відбиття сигналу в каналах передачі та прийому.
Фізичний дизайн для придушення перехресних перешкод: високошвидкісна -швидкість з’єднання Serdes 5G може досягати 100 Гбіт/с. Високочастотна друкована плата може суттєво зменшити зв’язок електричного поля між лініями та уникнути перехресних перешкод між сусідніми високошвидкісними-каналами, посилаючись на всю площину заземлення та контролюючи відстань між проводками, яка у фізичному проекті перевищує ширину лінії більше ніж у три рази.
Адаптація та оптимізація скін-ефекту: струм високочастотних-сигналів зосереджується лише в тонкому мікрометровому шарі на поверхні дроту. Високочастотна друкована плата використовує низьку шорсткість мідної фольги, щоб зменшити втрати провідника більш ніж на 40% на високих частотах, уникаючи додаткового ослаблення сигналу, спричиненого скін-ефектом.
Фізичні вимоги до адаптації для 5G масивного MIMO та фазованої решітки
Вимоги до узгодженості багатоканальної фази: широкомасштабна антенна решітка 5G AAU вимагає контролю різниці фаз десятків або навіть сотень радіочастотних сигналів у межах 5 градусів. Однорідність матеріалу та точність довжини маршрутизації високочастотної друкованої плати можуть забезпечити високу послідовність затримки передачі кожного сигналу, підтримуючи високо-точне формування променя.
Перевага гібридного стекування у фізичній структурі: базові станції 5G зазвичай використовують гібридну структуру «високочастотний рівень Роджерса-РЧ + цифровий рівень fr4», яка не тільки відповідає вимогам щодо низьких втрат радіочастотних каналів, але й збалансовує щільність проводки та вартість виробництва цифрових схем. Наразі це основне рішення для друкованих плат для макро- та невеликих станцій 5G.
Фізичний шлях розсіювання тепла. Щільність теплового потоку підсилювачів 5G значно перевищує щільність теплового потоку пристроїв 4G. Підкладка з високою теплопровідністю високочастотних друкованих плат у поєднанні з металевими заглибленими отворами та конструкцією каналу розсіювання тепла може швидко розсіювати тепло переднього-радіочастотного блоку, уникаючи дрейфу Dk матеріалу та поломки пристрою за високих температур, а також забезпечуючи-тривалу стабільну роботу обладнання.