1. Introducció
1.1 La revolució del 5G i els reptes de les plaques de circuit imprès
El desplegament global de la tecnologia sense fil 5G representa la transformació més significativa en la infraestructura de telecomunicacions des de l'arribada del 4G LTE. Opera en dues bandes de freqüència diferents, sub-6 GHz per a una àmplia cobertura i freqüències d'ona mil·limètrica (mmWave) que van de 24 a 77 GHz per a ultraalta...
Les xarxes 5G de transmissió de dades de velocitat exigeixen una precisió sense precedents en el disseny de plaques de circuits impresos (PCB). A diferència de les aplicacions convencionals de PCB, els sistemes 5G han de gestionar freqüències de senyal on fins i tot defectes de disseny microscòpics poden causar una degradació catastròfica del rendiment.
Segons l'anàlisi de la indústria, es preveu que el mercat global d'infraestructures 5G superi els 47.7 milions de dòlars el 2027, cosa que impulsarà una demanda massiva de solucions de PCB d'alt rendiment. Aquest creixement crea oportunitats i reptes per als dissenyadors de PCB, que han de dominar la complexa relació entre les propietats dels materials, la configuració de les capes i el comportament del senyal a les radiofreqüències. La transició del 4G al 5G no és només una actualització incremental, sinó que requereix un replantejament fonamental de l'arquitectura de l'apilament de PCB.
Figura 1: espectre de freqüències amb les bandes sub-6 GHz i mmWave destacades
1.2 Paper crític del disseny Stack-Up en el rendiment del 5G
L'apilament de la placa de circuit imprès (PCB), la disposició acuradament orquestrada de capes de coure, materials dielèctrics i substrats centrals, serveix com a base sobre la qual depèn tota la integritat del senyal 5G. A les freqüències d'ona mm, l'energia electromagnètica es comporta segons principis que semblen gairebé contradictoris per als dissenyadors acostumats a aplicacions de baixa freqüència. Les longituds d'ona del senyal es redueixen a escala mil·limètrica, cosa que fa que...
Característiques com els stubs de via i les discontinuitats de traça que eren insignificants a 1 GHz esdevenen fonts importants de reflexió i pèrdua de senyal a 28 GHz.
Un apilament de PCB 5G correctament dissenyat ha d'abordar simultàniament múltiples requisits que competeixen entre si: impedància controlada per evitar reflexions del senyal, baixa pèrdua d'inserció per preservar la intensitat del senyal, blindatge eficaç contra interferències electromagnètiques (EMI) per evitar la diafonia entre circuits i una gestió tèrmica robusta per dissipar la calor dels amplificadors de RF que consumeixen molta energia. La configuració de l'apilament afecta directament cadascun d'aquests paràmetres, convertint-la en la decisió més crítica de tot el procés de disseny de PCB 5G.
2. Comprensió dels requisits de la PCB 5G
2.1 Espectre de freqüències i característiques del senyal 5G
Bandes sub-6 GHz: Base per a una cobertura generalitzada
L'espectre sub-6 GHz, que abasta freqüències de 600 MHz a 6 GHz, representa la xarxa troncal de cobertura del 5G. Aquestes freqüències més baixes proporcionen les característiques de propagació necessàries per al desplegament de xarxes d'àrea extensa, oferint una penetració superior en edificis i un abast més llarg en comparació amb mmWave. Des d'una perspectiva de disseny de PCB, els senyals sub-6 GHz presenten reptes moderats més exigents que el 4G LTE però menys extrems que les aplicacions mmWave.
Bandes d'ona mm (24-77 GHz): Requisits de precisió extrema L'ona mil·limètrica 5G, que funciona principalment a les bandes de 24 GHz, 28 GHz, 39 GHz i 77 GHz, porta la tecnologia PCB als seus límits. A 28 GHz, la longitud d'ona d'un laminat Rogers RO4350B típic (Dk = 3.48) mesura només 5.7 mm. Això significa que un tall d'un quart de longitud d'ona, una longitud ressonant crítica, abasta només 1.4 mm. Les vies tradicionals de forat passant xapades, que deixen habitualment talls de 2-3 mm, es converteixen en ressonadors paràsits importants que poden destruir completament la integritat del senyal.
Figura 2 – Comparació detallada de longituds d'ona que mostra les dimensions físiques
2.2 Paràmetres elèctrics clau per a apilaments 5G
Diversos paràmetres elèctrics governen el rendiment de les PCB 5G, i cadascun requereix una consideració acurada durant el disseny de l'apilament. La constant dielèctrica (Dk o εr) determina la velocitat de propagació del senyal i els valors d'impedància controlats. Per a les aplicacions 5G, l'estabilitat de Dk tant en freqüència com en temperatura és primordial. Un material el Dk del qual varia en un 5% respecte a la temperatura provocarà variacions d'impedància que generen reflexions i degraden la integritat del senyal en circuits de RF de precisió.
El factor de dissipació (Df), també anomenat tangent de pèrdues (tan δ), quantifica les pèrdues dielèctriques. L'FR-4 estàndard presenta valors de Df de 0.015-0.020 a 10 GHz, mentre que els materials d'alt rendiment com el Rogers RO3003 aconsegueixen 0.0010 a la mateixa freqüència, una millora de 15 a 20 vegades.
Les toleràncies de control d'impedància s'ajusten dràsticament per a les aplicacions 5G. Tot i que una tolerància d'impedància de ±10% pot ser suficient per a moltes aplicacions, els circuits de radiofreqüència 5G solen requerir un control de ±5% o més ajustat.
| material | Dielectric Constant (Dk) | Factor de dissipació (Df) | Millor aplicació |
| Estàndard FR-4 | 4.2-4.5 a 1 GHz | 0.015-0.020 | Digital, sub-6 GHz no crític |
| Rogers RO4350B | 3.48 a 10 GHz | 0.0037 | RF sub-6 GHz, mmWave rendible |
| Rogers RO3003 | 3.00 a 10 GHz | 0.0010 | Estacions base d'alta ones mmWave |
| RT/duroide 5880 | 2.20 a 10 GHz | 0.0009 | Matrius en fase de pèrdua ultrabaixa >20 GHz |
Taula 1: Comparació de materials laminats d'alta freqüència per a aplicacions de PCB 5G
2.3 Requisits físics i tèrmics
Les plaques de circuit impedància 5G solen requerir entre 10 i 16 capes de coure per adaptar-se als densos requisits d'enrutament dels transceptors de radiofreqüència moderns, els processadors de banda base, els circuits de gestió d'energia i les interfícies digitals associades. La tecnologia d'interconnexió d'alta densitat (HDI) amb microvies de fins a 0.1 mm de diàmetre, vies cegues i enterrades, i enrutament de qualsevol capa esdevé essencial per aconseguir la densitat de components que exigeix la integració de sistemes 5G, mantenint alhora camins de senyal d'impedància controlats.
La gestió tèrmica presenta reptes importants en els dissenys 5G. Els amplificadors de potència en aplicacions d'estacions base poden dissipar entre 50 i 100 watts, generant punts d'accés localitzats que arriben als 85-100 °C durant el funcionament. El substrat de la placa de circuit imprès ha de tenir una conductivitat tèrmica suficient (≥1.5 W/m·K) per distribuir aquesta calor per tota l'àrea de la placa i transferir-la als dissipadors de calor o als sistemes de gestió tèrmica. La resistència a altes temperatures, mesurada com a índex tèrmic relatiu (RTI) de ≥150 °C, garanteix l'estabilitat del material en condicions de funcionament sostingudes.
Les toleràncies de fabricació s'ajusten considerablement per a les PCB 5G. Precisió de registre: la precisió d'alineació entre les capes de coure ha d'arribar a ±75 μm (±3 mils) o superior per a aplicacions mmWave, en comparació amb ±150 μm per als dissenys convencionals.
3. Selecció de materials per a apilaments 5G
3.1 Materials laminats d'alta freqüència
Rogers Materials: Estàndard de la indústria per al rendiment de RF
Els laminats d'alta freqüència de Rogers Corporation s'han convertit en l'estàndard de facto per a aplicacions de PCB 5G, oferint propietats dielèctriques acuradament dissenyades que es mantenen estables en amplis rangs de freqüència i temperatura. La sèrie RO4000, en particular la RO4350B, aconsegueix un excel·lent equilibri entre el rendiment de RF i la fabricabilitat. Amb una constant dielèctrica de 3.48 ±0.05 i un factor de dissipació de 0.0037 a 10 GHz, la RO4350B proporciona un control d'impedància predictible mentre utilitza tècniques de processament FR-4 estàndard sense necessitat de tractaments especials de via ni paràmetres de perforació modificats.
Per a aplicacions que exigeixen pèrdues encara més baixes, la sèrie RO3000 ofereix un rendiment excepcional. El RO3003, amb la seva construcció de PTFE farcit de ceràmica, aconsegueix unes propietats Df de 0.0010 i Dk de 3.00 que es mantenen notablement consistents des de 10 MHz fins a 40 GHz. Aquest material destaca en dissenys d'amplificadors de potència d'estacions base i altres aplicacions on cada dècima de dB de pèrdua d'inserció afecta el rendiment del sistema. La compensació es produeix en uns costos de material més elevats (normalment de 3 a 5x RO4350B) i uns requisits de fabricació més exigents.
Figura 3 – Vista transversal de la construcció laminada de Rogers RO4350B que mostra la làmina de coure, el sistema de resina i el reforç de vidre.
3.2 FR-4 en aplicacions 5G: comprensió de les limitacions
L'estàndard FR-4 continua sent viable per a parts específiques dels dissenys 5G, en particular les seccions de processament de senyals digitals, les xarxes de distribució d'energia i les aplicacions sub-6 GHz on els requisits de rendiment de RF són menys estrictes. L'FR-4 modern d'alta qualitat de fabricants com Shengyi, Panasonic i ITEQ pot aconseguir valors de Df de 0.012-0.015 a 5 GHz quan s'utilitzen sistemes de resina i reforços de vidre adequats.
acceptable per a moltes rutes de senyal sub-6 GHz.
Tanmateix, les limitacions de l'FR-4 es tornen pronunciades a freqüències més altes. El Dk del material varia normalment en un ±10% en tot el rang de temperatura de funcionament (de -40 °C a +85 °C), en comparació amb el ±2% dels laminats d'alta freqüència. Aquesta variació es tradueix en fluctuacions d'impedància que poden causar errors de bit induïts per reflexió en interfícies digitals d'alta velocitat i degradar el rendiment del sistema de RF. A més, el reforç de vidre de l'FR-4 crea variacions localitzades en el Dk efectiu, l'"efecte de teixit de fibra", que esdevé problemàtic per a les traces que corren en angles oblics respecte al patró de fibra de vidre.
3.3 Estratègies d'apilament híbrid: optimització del rendiment i el cost
Els apilaments híbrids que combinen laminats d'alta freqüència amb FR-4 ofereixen un excel·lent enfocament per equilibrar el rendiment i el cost en dissenys 5G complexos. L'estratègia principal col·loca materials cars de baixa pèrdua només on viatgen els senyals de RF, mentre que utilitza FR-4 econòmic per a les capes internes que transporten senyals digitals, distribució d'energia i suport mecànic. Un apilament híbrid típic podria utilitzar Rogers RO4350B per a les dues capes externes (L1 i L12 en un disseny de 12 capes) on resideixen les línies de transmissió de microstrip de RF, amb nuclis FR-4 que comprenen les capes internes.
Figura 4 – Diagrama de secció transversal d'un apilament híbrid de 12 capes que mostra les capes externes de Rogers RO4350B per a senyals de RF
4. Estratègies de configuració de capes per al 5G
4.1 Principis fonamentals de l'apilament
Abans d'endinsar-nos en configuracions de capes específiques, cal tenir en compte diversos principis fonamentals que regeixen tots els dissenys professionals d'apilament de PCB 5G. La simetria és la consideració de fabricació més crítica: l'apilament s'ha d'equilibrar al voltant de la línia central de la placa per evitar deformacions durant la laminació i el cicle tèrmic. Això significa fer coincidir els pesos del coure, els gruixos del nucli i el nombre de preimpregnats en costats oposats del pla central. Una placa amb un contingut elevat de coure en un costat es doblegarà com una patata xips després de la soldadura per refusió, un resultat inacceptable per a conjunts de RF de precisió.
L'adjacència del pla de referència és igualment important: cada capa de senyal hauria de tenir un pla de terra o d'alimentació ininterromput immediatament adjacent. Això proporciona la via de retorn de baixa inductància que requereixen els senyals d'alta freqüència i, alhora, protegeix la capa de senyal de les interferències.
L'aparellament de capes implica agrupar les capes de senyal per funció i requisits elèctrics. Els parells diferencials d'alta velocitat s'han d'encaminar a la mateixa capa, i la coincidència de longitud s'aconsegueix mitjançant un enrutament serpentí en lloc de dividir els parells entre capes. Les capes de senyal de RF solen ocupar les capes externes on es poden implementar com a línies de transmissió de microstrip, cosa que facilita l'afinació i la depuració.
4.2 Apilament de 8 capes: punt d'entrada per a dissenys 5G
Un apilament de 8 capes representa el nombre mínim pràctic de capes per a aplicacions 5G bàsiques com ara dispositius IoT, ràdios de cel·les petites o mòduls RF simples de menys de 6 GHz. Tot i que és limitat en comparació amb nombres de capes més alts, una estructura de 8 capes ben dissenyada pot suportar eficaçment dissenys moderadament complexos amb una disciplina d'enrutament i col·locació de components acurada.
Configuració de 8 capes recomanada:
∙ Capa 1: Senyal RF i alta velocitat crítica (microstrip, 50Ω)
∙ Capa 2: Pla de terra (camí de retorn de RF principal)
∙ Capa 3: Senyals digitals d'alta velocitat (línia de banda, diferencial de 50 Ω o 100 Ω) ∙ Capa 4: Pla d'alimentació (+3.3 V, +1.8 V dividit)
∙ Capa 5: Pla d'alimentació (replicat: +3.3V, +1.8V dividit)
∙ Capa 6: Senyals digitals d'alta velocitat (línia de banda, ortogonal a L3)
∙ Capa 7: Pla de terra (camí de retorn secundari)
∙ Capa 8: Senyal RF i alta velocitat crítica (microstrip, 50Ω)
Aquesta configuració proporciona simetria (L1-L2-L3-L4 reflecteix L8-L7-L6-L5), garanteix que cada capa de senyal tingui un pla de referència adjacent i col·loca els plans de potència al centre on la seva capacitància serveix millor per al desacoblament. Els gruixos dielèctrics típics poden ser: L1-L2 = 6 mils (RO4350B per a RF), L2-L3 = 8 mils (nucli), L3-L4 = 14 mils (preimpregnat), L4-L5 = 20 mils (nucli), reflectit simètricament a L8.
4.3 Apilament de 12 capes: aplicacions 5G avançades
Per a mòduls d'estacions base de sistemes 5G sofisticats, antenes MIMO massives o telèfons intel·ligents d'alta gamma, un apilament de 12 capes proporciona la densitat d'encaminament i el rendiment d'integritat del senyal necessaris per obtenir resultats òptims. Les capes addicionals permeten...
aïllament complet de les seccions de RF, digitals i de potència alhora que proporciona múltiples plans de terra per a un blindatge superior.
Configuració optimitzada de 12 capes per a mmWave:
∙ Capa 1: Capa de senyal RF A (antena d'ona mm, microstrip 50Ω) ∙ Capa 2: Pla de terra A (retorn RF primari, 1 oz de Cu)
∙ Capa 3: Capa de senyal RF B (camins RF secundaris, línia de banda 50Ω)
∙ Capa 4: Pla de terra B (aïllament i retorn de RF, 1 oz de Cu)
∙ Capa 5: Pla d'alimentació A (alimentació RF: +5V PA, 2 oz Cu)
∙ Capa 6: Digital d'alta velocitat (SerDes, DDR, línia de banda PCIe)
∙ Capa 7: Digital d'alta velocitat (encaminament ortogonal a L6)
∙ Capa 8: Pla d'alimentació B (alimentació digital: +3.3 V, +1.8 V, +1.2 V dividits, 2 oz Cu) ∙ Capa 9: Pla de terra C (retorn digital i blindatge, 1 oz Cu)
∙ Capa 10: Senyals de baixa velocitat i encaminament (control, I2C, SPI)
∙ Capa 11: Pla de terra D (capa de blindatge final, 1 g de Cu)
∙ Capa 12: Capa de senyal RF C (RF secundària, col·locació de components, microstrip 50Ω) Aquesta configuració SGSGPSSPGSGS proporciona un rendiment excepcional: quatre plans de terra separats creen múltiples barreres de blindatge, les capes RF estan completament aïllades del soroll de commutació digital i l'encaminament RF de línia de banda a L3 ofereix un blindatge excel·lent per a camins sensibles. L'apilament manté la simetria al voltant del pla central L6-L7.
Figura 5: secció transversal detallada d'un apilament de PCB 5G de 12 capes que mostra els gruixos de les capes, els pesos del coure i el senyal/pla.
5. Tècniques de connexió a terra per a PCB 5G
5.1 Fonaments de la connexió a terra per al disseny d'alta freqüència
A altes freqüències, la terra no és simplement un punt de referència de voltatge zero, sinó una estructura electromagnètica complexa, el comportament de la qual domina el rendiment de la integritat del senyal. El principi fonamental: els corrents de retorn d'alta freqüència flueixen directament per sota de les seves traces de senyal associades, seguint el camí de mínima impedància. Aquest camí no depèn de la resistència de CC, sinó dels corrents de retorn d'inductància que es concentren naturalment a la regió d'acoblament màxim del camp magnètic amb el conductor del senyal.
L'efecte pelicular a les freqüències mmWave significa que els corrents de retorn només flueixen en els primers centenars de nanòmetres de la superfície del pla de terra. Això fa que l'acabat superficial i el potencial d'oxidació siguin sorprenentment importants: el coure enfosquit presenta una resistència de radiofreqüència més alta que el coure brillant. Per aquest motiu, molts dissenyadors especifiquen acabats superficials ENIG (Electroless Nickel Immersion Gold) en plans de terra en zones de radiofreqüència crítiques, malgrat la lleugera inductància addicional que introdueix la capa de níquel.
5.2 Implementació del pla de terra sòlid
Un pla de terra continu i ininterromput representa la característica més important de qualsevol apilament de PCB d'alta freqüència. Penseu en el pla de terra com una superfície de llac perfectament llisa perquè flueixin els corrents de retorn; qualsevol obstrucció (buit, ranura, retall) crea turbulències que irradien energia i reflecteixen senyals. Per a aplicacions 5G, la integritat del pla de terra no és negociable: cada pla de terra s'ha d'estendre de vora a vora de la placa amb interrupcions mínimes.
Quan les divisions del pla de terra esdevenen inevitables, potser per separar les seccions analògiques i digitals, o per crear un alleujament tèrmic al voltant dels forats de muntatge, utilitzeu condensadors de costura per superar la bretxa. Col·loqueu condensadors de 0.1 μF o més petits a intervals d'1-2 polzades al llarg de la divisió, proporcionant un curtcircuit de CA a les freqüències de RF i mantenint l'aïllament de CC. No encamineu mai senyals d'alta velocitat o de RF a través de divisions del pla de terra; si una traça ha de creuar una divisió, encamineu-la perpendicularment per minimitzar l'àrea del bucle i afegiu una via de terra immediatament adjacent al punt de creuament.
5.3 Tècniques de costura via i tancament de terra
La costura de vias, la col·locació estratègica de les vies de terra per connectar els plans de terra entre capes, es troba entre els aspectes més crítics, però sovint ignorats, del disseny de PCB 5G. A freqüències d'ona mm, la inductància fins i tot d'una connexió de terra curta esdevé significativa. Una sola via de 10 mil·límetres de diàmetre a través d'una placa de 62 mil·límetres de gruix presenta aproximadament 0.7 nH d'inductància aparentment insignificant, però a 28 GHz això representa una impedància d'aproximadament 123 ohms, suficient per degradar greument les connexions de terra d'alta freqüència.
La solució rau en matrius de vies en paral·lel. L'ús de quatre vies en paral·lel redueix la inductància efectiva aproximadament 4 vegades (tenint en compte els efectes d'inductància mútua), cosa que porta la impedància de connexió a nivells més acceptables. Per a components de RF crítics, col·loqueu 3-4 vies de terra immediatament adjacents a cada pin de terra, connectant-les al pin més proper.
Pla de terra sòlid. Espaieu aquestes vies tan a prop del component com sigui possible; la inductància augmenta amb la longitud de la via, fent que els camins curts siguin essencials.
Figura 6 – Vista superior del disseny de la PCB que mostra el patró de costura al voltant
6. Control d'impedància en apilaments 5G
6.1 Fonaments de la impedància controlada
La impedància controlada representa la base de l'alta velocitat i la integritat del senyal de RF. Quan la font, la ruta de transmissió i la terminació d'un senyal presenten la mateixa impedància característica, l'energia es transfereix completament de la font a la càrrega sense reflexions. Els desajustos d'impedància fan que parts del senyal es reflecteixin cap a la font, creant ones estacionàries, sons i interferències entre símbols que corrompen els senyals digitals i degraden el rendiment del sistema de RF.
Per a aplicacions 5G, la impedància unilateral de 50 ohms s'ha convertit en l'estàndard universal per a circuits de radiofreqüència i microones. Aquest valor va sorgir de l'optimització entre la capacitat de maneig de potència i la pèrdua en cables coaxials, i tot l'ecosistema de radiofreqüència (connectors, equips de prova i components) assumeix sistemes de 50 ohms. Alta
Les interfícies digitals de velocitat solen utilitzar una impedància diferencial de 50 ohms (per a senyals unidireccionals com ara rellotges) o de 100 ohms (per a parells diferencials com MIPI, PCIe i USB).
6.2 Configuració de microstrip per a senyals de RF
Microstrip, una traça de senyal a la capa exterior de la placa amb un pla de terra a la capa interior adjacent, representa la configuració de línia de transmissió més comuna per a circuits de RF.
La impedància característica d'una microstrip depèn de l'amplada de la traça (W), l'alçada sobre el pla de terra (H), el gruix del coure (T) i la constant dielèctrica del material del substrat (εr). Per a una aproximació de primer ordre, les traces més amples i els dielèctrics més gruixuts augmenten la impedància, mentre que les constants dielèctriques més altes disminueixen la impedància.
Exemple de càlcul de microstrip: aconseguir 50 Ω en un Rogers RO4350B de 5 mil·límetres de gruix (εr = 3.48) amb 1 unça de coure requereix aproximadament 11 mil·límetres d'amplada de traça. La mateixa impedància en un dielèctric de 4 mil·límetres requereix 8.5 mil·límetres d'amplada, cosa que demostra la sensibilitat al gruix del dielèctric.
Figura 7 – Diagrama de secció transversal de la geometria de la línia de transmissió de microstrip
6.4 Impedància de parell diferencial per a interfícies d'alta velocitat
La senyalització diferencial que transmet dades com a diferència de voltatge entre dos senyals complementaris domina les interfícies digitals d'alta velocitat modernes a causa d'una immunitat al soroll superior i una EMI reduïda. La impedància diferencial (Zdiff) depèn tant de la impedància unilateral de cada traça (Z0) com de l'acoblament entre les traces. Per a traces dèbilment acoblades, Zdiff ≈ 2 × Z0. A mesura que les traces s'acoblen, l'acoblament augmenta, reduint la impedància diferencial per sota d'aquesta relació de 2:1.
Per a una impedància diferencial de 100 ohms (l'estàndard per a la majoria d'interfícies digitals d'alta velocitat), els dissenys típics utilitzen traces d'un sol extrem de 50 ohms amb acoblament que redueix la impedància diferencial a 100 ohms. En microstrip amb traces acoblades per vores, aconseguir un diferencial de 100 ohms normalment requereix un espaiat de traces d'1.5-2 vegades l'amplada de la traça. Un espaiat més ajustat augmenta l'acoblament i redueix encara més la impedància diferencial; un espaiat més ampli disminueix l'acoblament i augmenta la impedància diferencial.
| capa | function | Tipus | Pes de Cu | Espessor | material |
| L1 | Senyal RF | Microstrip de 50 Ω | 0.5 oz | - | RO4350B |
| L2 | Grounds | Avió | 1 oz | 5 1000 | Nucli |
| L3 | Senyal RF | Línia de franja de 50 Ω | 0.5 oz | 6 1000 | Preimpregnació |
| L4 | Grounds | Avió | 1 oz | 8 1000 | Nucli |
| ... | Simètrica | Mirall | ... | ... | ... |
Taula 2: Exemple de configuració d'apilament 5G de 12 capes (parcial) que mostra les capes superiors
7. Consideracions sobre la integritat del senyal
La integritat del senyal en les plaques de circuit imprès 5G engloba múltiples fenòmens interrelacionats que poden degradar el rendiment del sistema si no es gestionen adequadament. Comprendre els mecanismes de degradació del senyal i les tècniques de disseny d'apilament que els mitiguen separa els dissenys funcionals dels òptims.
7.1 Mecanismes de pèrdua d'alta freqüència
La pèrdua de senyal augmenta dràsticament amb la freqüència a causa de múltiples efectes físics. La pèrdua dielèctrica sorgeix de la polarització molecular en el material del substrat a mesura que el camp elèctric oscil·la a freqüències de radiofreqüència, els dipols del material intenten alinear-se amb el camp, dissipant energia en forma de calor. Aquesta pèrdua es correlaciona directament amb el factor de dissipació: duplicar Df aproximadament duplica la pèrdua. A 28 GHz en FR-4 estàndard (Df ≈ 0.020), les pèrdues dielèctriques poden superar 1.5 dB per polzada, mentre que Rogers RO3003 (Df ≈ 0.001) aconsegueix pèrdues inferiors a 0.3 dB per polzada en condicions idèntiques. La pèrdua del conductor augmenta amb l'arrel quadrada de la freqüència a causa de l'efecte pelicular: els corrents d'alta freqüència es concentren prop de les superfícies dels conductors, augmentant la resistència efectiva.
7.2 Disseny de vies per a aplicacions mmWave
Els stubs de via són la part no utilitzada d'una via de forat passant que s'estén més enllà de la capa per on surt el senyal i creen estructures ressonants que reflecteixen els senyals a freqüències específiques. El stub actua com una línia de transmissió en curtcircuit, la ressonància de quart d'ona de la qual provoca la màxima reflexió. A 28 GHz amb un gruix de placa de 50 mil·límetres, fins i tot un stub de 15 mil·límetres pot crear ressonàncies problemàtiques. Les solucions inclouen la perforació posterior per eliminar els stubs o l'ús de vies cegues/enterrades que acaben exactament a la capa del senyal.
Figura 9 – Circuit impreso perforat posteriorment via
Conclusió
El disseny reeixit d'un stack-up de PCB 5G requereix coneixements de múltiples disciplines, com ara la ciència de materials, la teoria electromagnètica, els processos de fabricació i la gestió tèrmica. Les directrius presentades en aquest article, des de la selecció de materials fins a les estratègies de connexió a terra i el control d'impedància, proporcionen un marc complet per a la creació d'alta...
dissenys 5G de rendiment.
Els principals resultats inclouen:
1. La selecció de materials impulsa el rendiment i el cost; utilitzeu laminats d'alta freqüència on calgui i FR-4 en altres llocs.
2. Les apilaments simètrics amb plans de referència adequats no són negociables. 3. La integritat del pla de terra i la unió mitjançant la unió determinen la integritat del senyal a ona mm.
4. El control d'impedància requereix un control precís del gruix dielèctric i una verificació del solucionador de camp.
5. Una col·laboració primerenca amb el fabricant del vostre PCB evita costoses repeticions.
A mesura que la tecnologia 5G continua evolucionant cap a freqüències més altes i una major complexitat, els passos i mètodes descrits aquí continuaran sent fonamentals. Tant si esteu dissenyant el vostre primer producte 5G com si optimitzeu una plataforma existent, invertir temps en l'optimització de l'apilament paga dividends en el rendiment del sistema, el rendiment de fabricació i el temps de comercialització.
