Pune frekventne karakteristike, zahtjevi velike{0}}brzine prijenosa i složena RF arhitektura 5G komunikacije određuju da PCB obične fr4 ploče ne može ispuniti zahtjeve za performanse. Visokofrekventna PCB ploča je temeljni hardverski temelj za stabilan rad 5G mreže, a fizički princip iza nje u potpunosti se vrti oko zakona prijenosa visokofrekventnih signala.
Visokofrekventne fizičke karakteristike 5G signala primoravaju nadogradnju PCB-a
Korespondencija između frekvencije i talasne dužine: 5G pokriva opsege frekvencija milimetarskog talasa ispod 6 GHz i FR2 (24-40 GHz), a odgovarajuća talasna dužina se smanjuje sa centimetarskog nivoa na nivo od milimetra. Usmjeravanje i debljina dielektrika obične štampane ploče su već na istom nivou kao i talasna dužina signala, što lako može uzrokovati ozbiljnu refleksiju signala i gubitak zračenja.
Fizička gornja granica brzine prijenosa: vršna brzina 5G jednog kanala može doseći 10 Gbps ili više, a vrijeme porasta signala je znatno skraćeno. Učinak distribuiranih parametara tradicionalnog PCB-a će biti oštro pojačan, što će direktno dovesti do poremećaja vremena signala i potpunog zatvaranja očnog dijagrama.
Prirodno svojstvo velikih gubitaka milimetarskih valova: za svako udvostručenje frekvencije, gubitak prijenosa signala u mediju će se približno udvostručiti. Gubitak običnih fr4 ploča u frekvencijskom opsegu iznad 10GHz će premašiti 3-5 puta veći od gubitka-štampanih ploča visoke frekvencije i ne može podržati prijenos RF signala na velike udaljenosti.
Osnovni fizički principi PCB-a visoke frekvencije: niska dielektrična konstanta (Dk) i mali dielektrični gubitak (Df)
Fizički učinak dielektrične konstante (Dk): Brzina prijenosa signala obrnuto je proporcionalna kvadratnom korijenu dielektrične konstante materijala. Vrijednost Dk materijala kao što su Rogers i PTFE koji se koriste u visokofrekventnim štampanim pločama je stabilna između 2,2-3,5, daleko niža od 4,2-4,8 običnog fr4, što može značajno smanjiti kašnjenje prijenosa signala i osigurati višekanalnu sinhronizaciju vremena signala.
Osnovna vrijednost dielektričnog gubitka (Df): Df vrijednost visoko{0}}štampanih ploča je općenito manja od 0,005, a neki ultra-materijali sa malim gubicima mogu biti i do 0,001. U frekvencijskom opsegu milimetarskog talasa, gubitak signala jedinice inča može se kontrolisati unutar 0,3dB, izbjegavajući veliku količinu apsorpcije energije od strane medija tokom prijenosa RF signala.
Zahtjevi stabilnosti za Dk/Df: Opseg radne temperature baznih stanica 5G pokriva -40 stepeni ~125 stepeni, a Dk fluktuacija visokofrekventnih PCB materijala je manja ili jednaka 0,2 u punom temperaturnom rasponu, bez pomaka impedance zbog promjena temperature okoline, osiguravajući veliku skalu MIMO zraka.
Fizička osnovna logika kontrolisane impedanse i integriteta signala
Strogi zahtjevi za usklađivanje impedanse: Zahtjev tolerancije impedanse za 5G RF veze kontrolira se unutar ± 3%. Visokofrekventne štampane ploče postižu visoku-preciznu kontrolu impedancije 50 Ω RF rutiranja i 90 Ω diferencijalne rute tako što precizno kontrolišu debljinu i širinu linije medija, smanjujući pogoršanje omjera stojećeg talasa i izbjegavajući refleksiju signala u prijenosnim i prijemnim vezama.
Fizički dizajn za suzbijanje preslušavanja signala: brza-brzina Serdes veze od 5G može doseći 100Gbps. Visokofrekventna štampana ploča može značajno smanjiti spajanje električnog polja između vodova i izbjeći preslušavanje signala između susjednih kanala velike brzine referenciranjem cijele ravni uzemljenja i kontrolom razmaka žica da bude više od tri puta širine linije u fizičkom dizajnu.
Adaptacija i optimizacija skin efekta: Struja visoko-signala je koncentrisana samo u tankom sloju mikrometarskog nivoa na površini žice. Visoko{2}}PCB koristi bakrenu foliju niske hrapavosti da smanji gubitak provodnika za više od 40% na visokim frekvencijama, izbjegavajući dodatno slabljenje signala uzrokovano skin efektom.
Zahtjevi fizičke adaptacije za 5G masivni MIMO i fazni niz
Zahtjevi za višekanalnu faznu konzistentnost: -veliki antenski niz 5G AAU zahtijeva da se fazna razlika od desetina ili čak stotina RF signala kontrolira unutar 5 stepeni. Ujednačenost materijala i preciznost dužine rute visokofrekventne PCB-a može osigurati da kašnjenje prijenosa svakog signala bude visoko konzistentno, podržavajući visoko{5}}precizno formiranje zraka.
Prednost fizičke strukture hibridnog slaganja: 5G bazne stanice općenito usvajaju hibridnu strukturu "Rogers high- visokofrekventni RF sloj + fr4 digitalni sloj", koja ne samo da ispunjava zahtjeve za niske gubitke RF veza, već i balansira gustinu ožičenja i troškove proizvodnje digitalnih kola. To je trenutno glavno PCB rješenje za 5G makro i male stanice.
Put fizičke provodljivosti odvođenja toplote: Gustoća toplotnog fluksa kod 5G pojačala čipova daleko premašuje onu kod 4G uređaja. Podloga visoke toplotne provodljivosti visokofrekventnih štampanih ploča, u kombinaciji sa metalnim rupama ukopanim i dizajnom kanala za disipaciju toplote, može brzo raspršiti toplotu RF prednjeg-kraja, izbegavajući Dk drift i kvar uređaja na visokim temperaturama, i osiguravajući dugotrajan-stabilan rad opreme.