De fulde frekvensegenskaber, højhastighedstransmissionskravene og den komplekse RF-arkitektur i 5G-kommunikation bestemmer, at PCB'et på et almindeligt fr4-kort ikke kan opfylde kravene til ydeevne. Højfrekvent PCB-kort er kernehardware-fundamentet for stabil drift af 5G-netværk, og det fysiske princip bag det kredser fuldstændigt om transmissionsloven for højfrekvente signaler.
De højfrekvente fysiske egenskaber ved 5G-signaler tvinger PCB-opgraderinger
Korrespondancen mellem frekvens og bølgelængde: 5G dækker frekvensbåndene Sub-6GHz og FR2 millimeterbølge (24-40GHz), og den tilsvarende bølgelængde reduceres fra centimeterniveau til millimeterniveau. Routing og dielektrisk tykkelse af almindelige printplader er allerede på samme niveau som signalbølgelængden, hvilket let kan forårsage alvorlig signalrefleksion og strålingstab.
Den fysiske øvre grænse for transmissionshastighed: Spidshastigheden for 5G-enkeltkanal kan nå 10 Gbps eller mere, og signalstigningstiden forkortes kraftigt. Den distribuerede parametereffekt af traditionelt PCB vil blive kraftigt forstærket, hvilket direkte fører til signaltimingsforstyrrelse og fuldstændig lukning af øjendiagram.
Den naturlige højtabsegenskab for millimeterbølger: for hver fordobling af frekvensen vil transmissionstabet af signaler i mediet tilnærmelsesvis fordobles. Tabet af almindelige fr4-kort i frekvensbåndet over 10GHz vil overstige 3-5 gange så meget som højfrekvente printkort og kan ikke understøtte langdistance-RF-signaltransmission.
Kernefysiske principper for højfrekvent PCB: lav dielektrisk konstant (Dk) og lavt dielektrisk tab (Df)
Den fysiske effekt af dielektrisk konstant (Dk): Signaltransmissionshastigheden er omvendt proportional med kvadratroden af materialets dielektriske konstant. Dk-værdien af materialer som Rogers og PTFE, der bruges i højfrekvente printplader, er stabil mellem 2,2-3,5, langt lavere end 4,2-4,8 for almindelig fr4, hvilket kan reducere signaltransmissionsforsinkelsen betydeligt og sikre multi-kanal signal timing synkronisering.
Kerneværdien for dielektrisk tab (Df): Df-værdien for høj-printplade er generelt mindre end 0,005, og nogle materialer med ultra-lavt tab kan være så lav som 0,001. I millimeterbølgefrekvensbåndet kan enhedens tomme signaltab kontrolleres inden for 0,3dB, hvilket undgår en stor mængde energiabsorption af mediet under transmissionen af RF-signaler.
Stabilitetskrav for Dk/Df: Driftstemperaturområdet for 5G-basestationer dækker -40 grader ~125 grader, og Dk-udsvinget af højfrekvente PCB-materialer er mindre end eller lig med 0,2 i det fulde temperaturområde, uden impedansdrift på grund af miljøtemperaturændringer, hvilket sikrer stråleformningens nøjagtighed af MIMO i stor skala.
Den fysiske underliggende logik af kontrolleret impedans og signalintegritet
Strenge krav til impedanstilpasning: Impedanstolerancekravet for 5G RF-forbindelser kontrolleres inden for ± 3 %. Højfrekvent printkort opnår høj-impedanskontrol af 50 Ω RF routing og 90 Ω differentiel routing ved nøjagtigt at kontrollere mediets tykkelse og linjebredde, reducere forringelsen af stående bølgeforhold og undgå signalrefleksion i transmissions- og modtagelseslinkene.
Fysisk design til at undertrykke signalkrydstale: Den høje-Serdes-linkhastighed på 5G kan nå 100 Gbps. Højfrekvent printkort kan reducere elektrisk feltkobling mellem linjer betydeligt og undgå signalkrydstale mellem tilstødende højhastighedskanaler ved at referere til hele stelplanet og kontrollere ledningsafstanden til at være mere end tre gange linjebredden i fysisk design.
Tilpasning og optimering af hudeffekt: Strømmen af højfrekvente signaler er kun koncentreret i et tyndt lag mikrometerniveau på ledningens overflade. Det højfrekvente PCB bruger kobberfolie med lav ruhed for at reducere ledertab med mere end 40 % ved høje frekvenser, hvilket undgår yderligere signaldæmpning forårsaget af hudeffekt.
Fysiske tilpasningskrav til 5G massiv MIMO og phased array
Krav til flerkanalsfasekonsistens: Det store-antennearray af 5G AAU kræver, at faseforskellen på dusinvis eller endda hundredvis af RF-signaler kontrolleres inden for 5 grader. Materialets ensartethed og routinglængde-nøjagtighed af høj-frekvent PCB kan sikre, at transmissionsforsinkelsen for hvert signal er meget konsistent, hvilket understøtter høj-stråleformning.
Den fysiske strukturfordel ved hybrid stacking: 5G-basestationer anvender generelt en hybridstruktur af "Rogers høj-frekvent RF-lag+fr4 digitalt lag", som ikke kun opfylder kravene til lave tab af RF-links, men også balancerer ledningstætheden og fremstillingsomkostningerne for digitale kredsløb. Det er i øjeblikket den almindelige PCB-løsning til 5G makro og små stationer.
Den fysiske ledningsvej for varmeafledning: Varmefluxtætheden for 5G-forstærkerchips overstiger langt den for 4G-enheder. Det høje termiske ledningsevne-substrat af højfrekvente printkort, kombineret med metalbegravede huller og varmeafledningskanaldesign, kan hurtigt sprede varmen fra RF-frontenden, undgå materiale-Dk-drift og enhedsfejl ved høje temperaturer og sikre langtidsstabil drift af udstyret.