De fulla frekvensegenskaperna, kraven på höghastighetsöverföring och den komplexa RF-arkitekturen för 5G-kommunikation avgör att kretskortet på ett vanligt fr4-kort inte kan uppfylla dess prestandakrav. Högfrekventa PCB-kort är kärnan i hårdvaran för den stabila driften av 5G-nätverk, och den fysiska principen bakom det kretsar helt kring överföringslagen för högfrekventa signaler.
De högfrekventa fysiska egenskaperna hos 5G-signaler tvingar fram PCB-uppgraderingar
Överensstämmelsen mellan frekvens och våglängd: 5G täcker frekvensbanden Sub-6GHz och FR2 millimetervåg (24-40GHz), och motsvarande våglängd reduceras från centimeternivå till millimeternivå. Routing och dielektrisk tjocklek på vanliga kretskort är redan på samma nivå som signalens våglängd, vilket lätt kan orsaka allvarlig signalreflektion och strålningsförlust.
Den fysiska övre gränsen för överföringshastighet: Topphastigheten för 5G-enkelkanal kan nå 10 Gbps eller mer, och signalens stigtid förkortas avsevärt. Den distribuerade parametereffekten av traditionellt PCB kommer att förstärkas kraftigt, vilket direkt leder till signaltidsstörning och fullständig stängning av ögondiagram.
Den naturliga högförlustegenskapen för millimetervågor: för varje fördubbling av frekvensen kommer överföringsförlusten av signaler i mediet att ungefär fördubblas. Förlusten av vanliga fr4-kort i frekvensbandet över 10GHz kommer att överstiga 3-5 gånger så stor som för hög-tryckt kretskort och kan inte stödja långdistansöverföring av RF-signaler.
Kärnfysikaliska principer för högfrekventa PCB: låg dielektrisk konstant (Dk) och låg dielektrisk förlust (Df)
Den fysiska effekten av dielektricitetskonstanten (Dk): Signalöverföringshastigheten är omvänt proportionell mot kvadratroten av materialets dielektriska konstant. Dk-värdet för material som Rogers och PTFE som används i högfrekventa kretskort är stabilt mellan 2,2-3,5, mycket lägre än 4,2-4,8 för vanlig fr4, vilket avsevärt kan minska signalöverföringsfördröjningen och säkerställa flerkanalig signaltidssynkronisering.
Kärnvärdet för dielektrisk förlust (Df): Df-värdet för hög-kretskort är i allmänhet mindre än 0,005, och vissa material med ultra-låg förlust kan vara så lågt som 0,001. I millimetervågsfrekvensbandet kan enhetens tumsignalförlust kontrolleras inom 0,3 dB, vilket undviker en stor mängd energiabsorption av mediet under överföringen av RF-signaler.
Stabilitetskrav för Dk/Df: Driftstemperaturområdet för 5G-basstationer täcker -40 grader ~125 grader, och Dk-fluktuationen för hög- PCB-material är mindre än eller lika med 0,2 i hela temperaturområdet, utan impedansdrift på grund av omgivningstemperaturförändringar, vilket säkerställer storskalig strålformningsnoggrannhet hos MIMO.
Den fysiska underliggande logiken för kontrollerad impedans och signalintegritet
Strikta impedansmatchningskrav: Impedanstoleranskravet för 5G RF-länkar kontrolleras inom ± 3 %. Högfrekventa kretskort uppnår hög-impedanskontroll av 50 Ω RF-routing och 90 Ω differentiell routing genom att noggrant kontrollera mediets tjocklek och linjebredd, minska försämringen av stående vågförhållande och undvika signalreflektion i sändnings- och mottagningslänkarna.
Fysisk design för att undertrycka signalöverhörning: Den höghastighets-Serdes-länkhastigheten på 5G kan nå 100 Gbps. Högfrekventa kretskort kan avsevärt minska elektrisk fältkoppling mellan linjer och undvika signalöverhörning mellan intilliggande höghastighetskanaler genom att referera till hela jordplanet och kontrollera att ledningsavståndet är mer än tre gånger linjebredden i fysisk design.
Anpassning och optimering av hudeffekt: Strömmen från hög-signaler är endast koncentrerad till ett tunt lager av mikrometernivå på ytan av tråden. Det högfrekventa kretskortet använder kopparfolie med låg råhet för att minska ledarförlusten med mer än 40 % vid höga frekvenser, vilket undviker ytterligare signaldämpning orsakad av hudeffekter.
Fysiska anpassningskrav för 5G massiv MIMO och fasad array
Krav på flerkanals faskonsistens: Den storskaliga-antennuppsättningen av 5G AAU kräver att fasskillnaden på dussintals eller till och med hundratals RF-signaler kontrolleras inom 5 grader. Materiallikformigheten och routinglängdnoggrannheten hos hög-frekvent PCB kan säkerställa att överföringsfördröjningen för varje signal är mycket konsekvent, vilket stöder hög-precisionsstrålformning.
Den fysiska strukturfördelen med hybridstackning: 5G-basstationer antar i allmänhet en hybridstruktur av "Rogers hög-frekvent RF-lager+fr4 digitalt lager", som inte bara uppfyller kraven på låga förluster för RF-länkar, utan också balanserar ledningstätheten och tillverkningskostnaden för digitala kretsar. Det är för närvarande den vanliga PCB-lösningen för 5G makro och små stationer.
Den fysiska ledningsvägen för värmeavledning: Värmeflödestätheten för 5G-förstärkarchips överstiger vida den för 4G-enheter. Substratet med hög värmeledningsförmåga hos högfrekventa tryckta kretskort, i kombination med nedgrävda metallhål och värmeavledningskanaldesign, kan snabbt avleda värmen från RF-fronten-, vilket undviker material-Dk-drift och enhetsfel vid höga temperaturer, och säkerställer en lång-stabil drift av utrustningen.