1. Úvod
1.1 Revoluce 5G a výzvy v oblasti desek plošných spojů
Globální zavedení bezdrátové technologie 5G představuje nejvýznamnější transformaci telekomunikační infrastruktury od nástupu 4G LTE. Technologie funguje ve dvou odlišných frekvenčních pásmech, a to pod 6 GHz pro široké pokrytí a v milimetrových vlnách (mmWave) od 24 do 77 GHz pro ultravysoké pokrytí.
Rychlý přenos dat Sítě 5G vyžadují bezprecedentní přesnost při návrhu desek plošných spojů (PCB). Na rozdíl od konvenčních aplikací na deskách plošných spojů musí systémy 5G zvládat signálové frekvence, u kterých i mikroskopické konstrukční chyby mohou způsobit katastrofické snížení výkonu.
Podle analýzy odvětví se očekává, že globální trh s 5G infrastrukturou do roku 2027 překročí 47.7 miliard dolarů, což povede k masivní poptávce po vysoce výkonných řešeních pro desky plošných spojů. Tento růst vytváří jak příležitosti, tak i výzvy pro návrháře desek plošných spojů, kteří musí zvládnout složitý vztah mezi vlastnostmi materiálů, konfigurací vrstev a chováním signálu na rádiových frekvencích. Přechod ze 4G na 5G není jen postupným upgradem, vyžaduje zásadní přehodnocení architektury vrstvených desek plošných spojů.
Obrázek 1 – frekvenční spektrum se zvýrazněnými pásmy sub-6 GHz a mmWave
1.2 Klíčová role návrhu stack-up systémů ve výkonu 5G
Pečlivě zorganizované uspořádání měděných vrstev, dielektrických materiálů a jádrových substrátů na desce plošných spojů slouží jako základ, na kterém závisí integrita veškerého 5G signálu. Na milimetrových vlnových frekvencích se elektromagnetická energie chová podle principů, které se konstruktérům zvyklým na aplikace s nižšími frekvencemi zdají téměř neintuitivní. Vlnové délky signálu se zmenšují na milimetrové měřítko, což způsobuje...
Prvky, jako jsou pahýly via a nespojitosti stop, které byly při 1 GHz nevýznamné, se stávají hlavními zdroji odrazů a ztrát signálu při 28 GHz.
Správně navržená sada plošných spojů pro 5G musí současně splňovat několik protichůdných požadavků: řízenou impedanci pro zabránění odrazům signálu, nízké vložné ztráty pro zachování síly signálu, efektivní stínění proti elektromagnetickému rušení (EMI) pro zabránění přeslechů mezi obvody a robustní tepelný management pro odvod tepla z energeticky náročných VF zesilovačů. Konfigurace sady plošných spojů přímo ovlivňuje každý z těchto parametrů, což z ní činí nejdůležitější rozhodnutí v celém procesu návrhu 5G desek plošných spojů.
2. Pochopení požadavků na desky plošných spojů 5G
2.1 Frekvenční spektrum a charakteristiky signálu 5G
Pásma pod 6 GHz: Základ pro široké pokrytí
Spektrum sub-6 GHz, zahrnující frekvence od 600 MHz do 6 GHz, představuje páteř pokrytí 5G. Tyto nižší frekvence poskytují charakteristiky šíření nezbytné pro nasazení rozsáhlých sítí a nabízejí lepší penetraci v budovách a delší dosah ve srovnání s mmWave. Z hlediska návrhu desek plošných spojů představují signály sub-6 GHz mírné výzvy – náročnější než 4G LTE, ale méně extrémní než aplikace mmWave.
mmvlnná pásma (24–77 GHz): extrémní požadavky na přesnost Milimetrové vlny 5G, pracující primárně v pásmech 24 GHz, 28 GHz, 39 GHz a 77 GHz, posouvají technologii desek plošných spojů na hranici jejích možností. Při 28 GHz měří vlnová délka v typickém laminátu Rogers RO4350B (Dk = 3.48) pouhých 5.7 mm. To znamená, že kritická rezonanční délka čtvrtvlnného pahýlu se rozprostírá pouze na 1.4 mm. Tradiční pokovené průchozí otvory, které běžně zanechávají pahýly o délce 2–3 mm, se stávají významnými parazitními rezonátory, které mohou zcela zničit integritu signálu.
Obrázek 2 – Podrobné srovnání vlnových délek zobrazující fyzikální rozměry
2.2 Klíčové elektrické parametry pro 5G stack-upy
Výkon desek plošných spojů 5G je ovlivněn několika elektrickými parametry, z nichž každý vyžaduje pečlivé zvážení při návrhu soustavy. Dielektrická konstanta (Dk nebo εr) určuje rychlost šíření signálu a řízené hodnoty impedance. Pro aplikace 5G je zásadní stabilita Dk napříč frekvencí i teplotou. Materiál, jehož Dk se mění o 5 % v závislosti na teplotě, způsobí změny impedance, které generují odrazy a zhoršují integritu signálu v přesných vysokofrekvenčních obvodech.
Distribuční činitel (Df), nazývaný také tangens ztrát (tan δ), kvantifikuje dielektrické ztráty. Standardní FR-4 vykazuje hodnoty Df 0.015–0.020 při 10 GHz, zatímco vysoce výkonné materiály jako Rogers RO3003 dosahují při stejné frekvenci hodnoty 0.0010, což je 15–20násobné zlepšení.
Tolerance impedanční regulace se pro 5G aplikace dramaticky zpřísňují. Zatímco tolerance impedance ±10 % může pro mnoho aplikací postačovat, 5G RF obvody obvykle vyžadují ±5 % nebo přesnější regulaci.
| Materiál | Dielektrické Konstanta (Dk) | ztrátový činitel (Df) | Nejlepší aplikace |
| Standard FR-4 | 4.2–4.5 při 1 GHz | 0.015-0.020 | Digitální, sub-6 GHz nekritické |
| Rogers RO4350B | 3.48 při 10 GHz | 0.0037 | VF pod 6 GHz, cenově výhodné mmvlny |
| Rogers RO3003 | 3.00 při 10 GHz | 0.0010 | Vysoce výkonné mmWave základnové stanice |
| RT/duroid 5880 | 2.20 při 10 GHz | 0.0009 | Fázované anténní soustavy s velmi nízkými ztrátami >20 GHz |
Tabulka 1: Porovnání materiálů vysokofrekvenčních laminátů pro aplikace 5G PCB
2.3 Fyzikální a tepelné požadavky
Desky plošných spojů 5G obvykle vyžadují 10–16 měděných vrstev, aby vyhověly požadavkům na husté směrování moderních RF transceiverů, procesorů základního pásma, obvodů pro správu napájení a souvisejících digitálních rozhraní. Technologie propojení s vysokou hustotou (HDI) s mikropropojkami o průměru pouhých 0.1 mm, slepými a zapuštěnými propojkami a směrováním v libovolné vrstvě se stává nezbytnou pro dosažení hustoty součástek, kterou vyžaduje integrace systémů 5G, a zároveň zachování signálových cest s řízenou impedancí.
Tepelný management představuje v návrzích 5G značné výzvy. Výkonové zesilovače v aplikacích základnových stanic mohou rozptýlit 50–100 wattů, což vytváří lokální horká místa, která během provozu dosahují 85–100 °C. Substrát desky plošných spojů musí mít dostatečnou tepelnou vodivost (≥1.5 W/m·K), aby se toto teplo rozložilo po ploše desky a přeneslo do chladičů nebo systémů tepelného managementu. Odolnost vůči vysokým teplotám, měřená jako relativní tepelný index (RTI) ≥150 °C, zajišťuje stabilitu materiálu za trvalých provozních podmínek.
Výrobní tolerance se u desek plošných spojů 5G značně zpřísňují. Přesnost registrace – přesnost zarovnání mezi měděnými vrstvami musí u aplikací s milimetrovými vlnami dosáhnout ±75 μm (±3 mil) nebo lepší, ve srovnání s ±150 μm u konvenčních konstrukcí.
3. Výběr materiálu pro 5G Stack-Upy
3.1 Vysokofrekvenční laminátové materiály
Rogers Materials: Průmyslový standard pro RF výkon
Vysokofrekvenční lamináty od společnosti Rogers Corporation se staly de facto standardem pro aplikace 5G PCB a nabízejí pečlivě navržené dielektrické vlastnosti, které zůstávají stabilní v širokém frekvenčním a teplotním rozsahu. Řada RO4000, zejména RO4350B, dosahuje vynikající rovnováhy mezi VF výkonem a vyrobitelností. S dielektrickou konstantou 3.48 ± 0.05 a disipačním činitelem 0.0037 při 10 GHz poskytuje RO4350B předvídatelné řízení impedance při využití standardních technik zpracování FR-4, které nevyžadují žádné speciální úpravy průchodů ani modifikované parametry vrtání.
Pro aplikace vyžadující ještě nižší ztráty poskytuje řada RO3000 výjimečný výkon. RO3003 s keramickou plněnou konstrukcí z PTFE dosahuje vlastností Df 0.0010 a Dk 3.00, které zůstávají pozoruhodně konzistentní od 10 MHz do 40 GHz. Tento materiál vyniká v konstrukcích výkonových zesilovačů základnových stanic a dalších aplikacích, kde každá desetina dB vložené ztráty ovlivňuje výkon systému. Nevýhodou jsou vyšší náklady na materiál (obvykle 3–5x RO4350B) a náročnější výrobní požadavky.
Obrázek 3 – Průřez laminátovou konstrukcí Rogers RO4350B zobrazující měděnou fólii, pryskyřičný systém a skleněnou výztuž
3.2 FR-4 v 5G aplikacích: Pochopení omezení
Standardní FR-4 zůstává použitelný pro specifické části návrhů 5G, zejména pro sekce digitálního zpracování signálu, distribuční sítě a aplikace pod 6 GHz, kde jsou požadavky na vysokofrekvenční výkon méně přísné. Moderní vysoce kvalitní FR-4 od výrobců jako Shengyi, Panasonic a ITEQ může dosáhnout hodnot Df 0.012–0.015 při 5 GHz při použití vhodných pryskyřičných systémů a skleněných výztuh.
přijatelné pro mnoho signálových cest pod 6 GHz.
Omezení materiálu FR-4 se však projevují při vyšších frekvencích. Dk materiálu se obvykle liší o ±10 % v celém rozsahu provozních teplot (-40 °C až +85 °C), ve srovnání s ±2 % u vysokofrekvenčních laminátů. Tato změna se promítá do fluktuací impedance, které mohou způsobit bitové chyby vyvolané odrazy ve vysokorychlostních digitálních rozhraních a snížit výkon RF systému. Kromě toho skleněná výztuž FR-4 vytváří lokalizované variace v efektivním Dk – „efekt provázání vláken“, který se stává problematickým pro vodiče probíhající v šikmých úhlech ke vzoru skleněných vláken.
3.3 Hybridní strategie stack-upu: Optimalizace výkonu a nákladů
Hybridní sestavy kombinující vysokofrekvenční lamináty s FR-4 nabízejí vynikající přístup k vyvážení výkonu a nákladů v komplexních 5G návrzích. Strategie jádra umisťuje drahé materiály s nízkými ztrátami pouze tam, kde se šíří RF signály, zatímco ekonomický FR-4 se používá pro vnitřní vrstvy nesoucí digitální signály, distribuci energie a mechanickou podporu. Typický hybridní sestava by mohla používat Rogers RO4350B pro vnější dvě vrstvy (L1 a L12 ve 12vrstvém provedení), kde se nacházejí RF mikropáskové přenosové linky, přičemž vnitřní vrstvy tvoří jádra FR-4.
Obrázek 4 – Průřezový diagram 12vrstvého hybridního souvrství zobrazující vnější vrstvy Rogers RO4350B pro RF signály
4. Strategie konfigurace vrstev pro 5G
4.1 Základní principy stack-upu
Než se ponoříme do konkrétních konfigurací vrstev, je třeba zvážit několik základních principů, kterými se řídí všechny profesionální návrhy vrstvených spojů 5G PCB. Symetrie se řadí mezi nejdůležitější výrobní aspekty: vrstvená konstrukce musí být vyvážena kolem středové osy desky, aby se zabránilo deformaci během laminace a tepelných cyklů. To znamená shodné hmotnosti mědi, tloušťky jádra a počtu prepregů na opačných stranách středové roviny. Deska s vysokým obsahem mědi na jedné straně se po pájení reflow prohne jako bramborový lupínek, což je pro přesné RF sestavy nepřijatelný výsledek.
Sousedství referenční roviny je stejně důležité: každá signálová vrstva by měla mít bezprostředně sousedící nepřerušenou zemnící nebo napájecí rovinu. To zajišťuje nízkoindukčnostní zpětnou cestu, kterou vysokofrekvenční signály vyžadují, a zároveň stíní signálovou vrstvu před rušením.
Párování vrstev zahrnuje seskupování signálových vrstev podle funkce a elektrických požadavků. Vysokorychlostní diferenciální páry by měly být směrovány na stejné vrstvě, přičemž shoda délek by měla být dosažena serpentinovým směrováním, nikoli rozdělením párů mezi vrstvami. Vrstvy rádiových signálů obvykle zabírají vnější vrstvy, kde je lze implementovat jako mikropáskové přenosové vedení, což umožňuje snadný přístup k ladění a ladění.
4.2 8vrstvé stack-up: Vstupní bod pro 5G návrhy
Osmivrstvá struktura představuje minimální praktický počet vrstev pro základní 5G aplikace, jako jsou zařízení IoT, malé mobilní rádiové stanice nebo jednoduché RF moduly s frekvencí pod 6 GHz. I když je ve srovnání s vyšším počtem vrstev omezená, dobře navržená osmivrstvá struktura může efektivně podporovat středně složité návrhy s pečlivou disciplínou při směrování a umístění komponent.
Doporučená konfigurace s 8 vrstvami:
∙ Vrstva 1: RF signál a kritická vysokorychlostní (mikropáskový, 50Ω)
∙ Vrstva 2: Zemní rovina (primární VF zpětná cesta)
∙ Vrstva 3: Vysokorychlostní digitální signály (páskové vedení, diferenciální 50 Ω nebo 100 Ω) ∙ Vrstva 4: Napájecí rovina (+3.3 V, +1.8 V rozdělené)
∙ Vrstva 5: Napájecí rovina (zrcadlená: +3.3 V, +1.8 V rozdělená)
∙ Vrstva 6: Vysokorychlostní digitální signály (páskové vedení, ortogonální k L3)
∙ Vrstva 7: Zemní rovina (sekundární návratová cesta)
∙ Vrstva 8: RF signál a kritická vysokorychlostní (mikropáskový, 50Ω)
Tato konfigurace zajišťuje symetrii (L1-L2-L3-L4 zrcadlí L8-L7-L6-L5), zajišťuje, že každá signálová vrstva má sousední referenční rovinu a umisťuje výkonové roviny do středu, kde jejich kapacita nejlépe slouží k oddělení. Typické dielektrické tloušťky mohou být: L1-L2 = 6 mil (RO4350B pro RF), L2-L3 = 8 mil (jádro), L3-L4 = 14 mil (prepreg), L4-L5 = 20 mil (jádro), zrcadleno symetricky k L8.
4.3 12vrstvé stack-up: Pokročilé 5G aplikace
Pro sofistikované moduly základnových stanic 5G systémů, masivní anténní soustavy MIMO nebo špičkové chytré telefony poskytuje 12vrstvá konstrukce hustotu směrování a integritu signálu potřebnou pro optimální výsledky. Další vrstvy umožňují...
úplná izolace RF, digitální a výkonové části a zároveň zajištění více zemnících ploch pro vynikající stínění.
Optimalizovaná 12vrstvá konfigurace pro mmWave:
∙ Vrstva 1: VF signál, vrstva A (milimetrové vlnové anténní napájecí vodiče, mikropáskový vodič 50 Ω) ∙ Vrstva 2: Zemnící rovina A (primární VF odraz, 1 g Cu)
∙ Vrstva 3: VF signálová vrstva B (sekundární VF cesty, páskové vedení 50Ω)
∙ Vrstva 4: Zemnící rovina B (RF izolace a odraz, 1 ml Cu)
∙ Vrstva 5: Napájecí rovina A (RF napájení: +5V PA napájení, 2 oz Cu)
∙ Vrstva 6: Vysokorychlostní digitální (SerDes, DDR, PCIe stripline)
∙ Vrstva 7: Vysokorychlostní digitální (ortogonální směrování do L6)
∙ Vrstva 8: Napájecí rovina B (digitální napájení: +3.3 V, +1.8 V, +1.2 V rozdělené, 2 ml Cu) ∙ Vrstva 9: Zemnící rovina C (digitální návrat a stínění, 1 ml Cu)
∙ Vrstva 10: Nízkorychlostní signály a směrování (řízení, I2C, SPI)
∙ Vrstva 11: Zemnící rovina D (konečná stínící vrstva, 1 g Cu)
∙ Vrstva 12: Vrstva C RF signálu (sekundární RF, umístění součástek, mikropáskový vodič 50 Ω) Tato konfigurace SGSGPSSPGSGS poskytuje výjimečný výkon: čtyři oddělené zemnící roviny vytvářejí několik stínících bariér, RF vrstvy jsou zcela izolovány od digitálního spínacího šumu a páskové RF směrování na L3 nabízí vynikající stínění pro citlivé cesty. Spojení zachovává symetrii kolem střední roviny L6-L7.
Obrázek 5 – Detailní řez 12vrstvou 5G deskou plošných spojů zobrazující tloušťky vrstev, hmotnosti mědi a vztah signál/rovina
5. Techniky uzemnění pro 5G desky plošných spojů
5.1 Základy uzemnění pro návrh vysokofrekvenčních zařízení
Při vysokých frekvencích není zem pouze referenčním bodem s nulovým napětím, ale spíše komplexní elektromagnetickou strukturou, jejíž chování dominuje integritě signálu. Základní princip: vysokofrekvenční návratové proudy protékají přímo pod příslušnými signálovými stopami a sledují cestu s minimální impedancí. Tato cesta nezávisí na stejnosměrném odporu, ale na indukčnosti. Návratové proudy se přirozeně koncentrují v oblasti maximální vazby magnetického pole se signálovým vodičem.
Skin efekt na milimetrových vlnových frekvencích znamená, že zpětné proudy protékají pouze v horních několika stech nanometrech povrchu zemnící roviny. Díky tomu je povrchová úprava a oxidační potenciál překvapivě důležitý. Zmatnělá měď vykazuje vyšší odolnost vůči vysokofrekvenčnímu působení než lesklá měď. Z tohoto důvodu mnoho konstruktérů specifikuje povrchové úpravy ENIG (bezproudové niklování s ponořením do zlata) na zemnících rovinách v kritických vysokofrekvenčních oblastech, a to i přes mírnou dodatečnou indukčnost, kterou niklová vrstva zavádí.
5.2 Implementace pevné zemnící roviny
Souvislá, nepřerušená zemní rovina představuje nejdůležitější vlastnost jakékoli vysokofrekvenční desky plošných spojů. Představte si zemní rovinu jako dokonale hladký povrch pro odvádění zpětných proudů – jakákoli překážka (dutina, štěrbina, výřez) vytváří turbulenci, která vyzařuje energii a odráží signály. Pro aplikace 5G je integrita zemní roviny nezpochybnitelná: každá zemní rovina by se měla rozprostírat od okraje desky k okraji s minimálními přerušeními.
Pokud se rozdělení zemní plochy stane nevyhnutelným, například k oddělení analogových a digitálních sekcí nebo k vytvoření tepelného odlehčení kolem montážních otvorů, použijte k překlenutí mezery spojovací kondenzátory. Umístěte kondenzátory o kapacitě 0.1 μF nebo menší v intervalech 1–2 cm podél rozdělení, čímž vytvoříte zkrat pro střídavý proud na vysokofrekvenčních frekvencích a zároveň zachováte izolaci pro stejnosměrný proud. Nikdy neveďte vysokorychlostní nebo vysokofrekvenční signály přes rozdělení zemní plochy; pokud musí trasa procházet rozdělením, veďte ji kolmo, abyste minimalizovali plochu smyčky, a bezprostředně vedle bodu křížení přidejte zemnící vodič.
5.3 Techniky prošívání a oplocení země
Propojení zemnících otvorů (via stitching), tedy strategické umístění zemnících otvorů pro propojení zemních rovin mezi vrstvami, patří mezi nejdůležitější, ale často přehlížené aspekty návrhu 5G desek plošných spojů. Při milimetrových vlnových frekvencích je indukčnost i krátkého zemního spojení významná. Jediný otvor o průměru 10 mil skrz desku o tloušťce 62 mil vykazuje indukčnost zhruba 0.7 nH, což se zdá být zanedbatelné, ale při 28 GHz to představuje impedanci přibližně 123 ohmů, což stačí k vážnému zhoršení vysokofrekvenčních zemních spojení.
Řešení spočívá v paralelním zapojení polí propojek. Použití čtyř paralelních propojek snižuje efektivní indukčnost zhruba 4x (s ohledem na vliv vzájemné indukčnosti), čímž se impedance spojení dostává na přijatelnější úroveň. U kritických RF součástek umístěte 3–4 zemnící propojky bezprostředně vedle každého zemnícího pinu a připojte je k nejbližšímu...
pevná zemnící rovina. Umístěte tyto průchody co nejblíže k součástce, indukčnost se zvyšuje s délkou průchodů, takže krátké cesty jsou nezbytné.
Obrázek 6 – Pohled shora na rozvržení desky plošných spojů zobrazující prošívání pomocí vzoru kolem
6. Řízení impedance v 5G stack-upech
6.1 Základy řízené impedance
Řízená impedance představuje základ pro vysokorychlostní a integritu rádiového signálu. Pokud zdroj signálu, přenosová cesta a zakončení vykazují stejnou charakteristickou impedanci, energie se přenáší kompletně ze zdroje do zátěže bez odrazů. Nesoulad impedance způsobuje, že se části signálu odrážejí zpět ke zdroji, což vytváří stojaté vlny, zvonění a mezisymbolovou interferenci, která poškozuje digitální signály a snižuje výkon rádiového systému.
Pro aplikace 5G se univerzálním standardem pro RF a mikrovlnné obvody stala jednostranná impedance 50 ohmů. Tato hodnota vzešla z optimalizace mezi výkonem a ztrátami v koaxiálních kabelech a celý ekosystém RF konektorů, testovacích zařízení a komponent předpokládá systémy s impedancí 50 ohmů.
Digitální rozhraní s vysokou rychlostí obvykle používají buď 50ohmovou jednosměrnou impedanci (pro jednosměrné signály, jako jsou hodiny), nebo 100ohmovou diferenciální impedanci (pro diferenciální páry, jako jsou MIPI, PCIe a USB).
6.2 Konfigurace mikropáskového vodiče pro RF signály
Mikropáskový vodič - signálová stopa na vnější vrstvě desky se zemnící rovinou na sousední vnitřní vrstvě - představuje nejběžnější konfiguraci přenosového vedení pro RF obvody.
Charakteristická impedance mikropáskového vodiče závisí na šířce stopy (W), výšce nad zemní rovinou (H), tloušťce mědi (T) a dielektrické konstantě materiálu substrátu (εr). Pro aproximaci prvního řádu širší stopy a silnější dielektrika zvyšují impedanci, zatímco vyšší dielektrické konstanty impedanci snižují.
Příklad výpočtu mikropáskového vodiče: dosažení odporu 50 Ω na vodiči Rogers RO4350B o tloušťce 5 mil (εr = 3.48) s 1 uncem mědi vyžaduje šířku stopy přibližně 11 mil. Stejná impedance na dielektriku o tloušťce 4 mil vyžaduje šířku 8.5 mil, což demonstruje citlivost na tloušťku dielektrika.
Obrázek 7 – Průřezový diagram geometrie mikropáskového přenosového vedení
6.4 Diferenciální párová impedance pro vysokorychlostní rozhraní
Diferenciální signalizace přenášející data jako rozdíl napětí mezi dvěma komplementárními signály dominuje moderním vysokorychlostním digitálním rozhraním díky vynikající odolnosti proti šumu a sníženému elektromagnetickému rušení. Diferenciální impedance (Zdiff) závisí jak na impedanci jednotlivých stop (Z0), tak na vazbě mezi stopami. U volně vázaných stop je Zdiff ≈ 2 × Z0. Jak se stopy přibližují k sobě, vazba se zvyšuje, což snižuje diferenciální impedanci pod tento poměr 2:1.
Pro diferenciální impedanci 100 ohmů (standard pro většinu vysokorychlostních digitálních rozhraní) se v typických provedeních používají 50ohmové jednostranné vodiče s vazbou, která snižuje diferenciální impedanci na 100 ohmů. U mikropáskových vodičů s vodivými vodiči vázanými na hrany vyžaduje dosažení diferenciální impedance 100 ohmů obvykle rozteč vodičů 1.5–2× šířka vodiče. Menší rozteč zvyšuje vazbu a dále snižuje diferenciální impedanci; větší rozteč snižuje vazbu a zvyšuje diferenciální impedanci.
| vrstva | funkce | Typ | Hmotnost mědi | Tloušťka | Materiál |
| L1 | RF signálu | Mikropáskový 50Ω | 0.5 oz | - | RO4350B |
| L2 | Země | Rovina | 1 oz | 5 1000 | Jádro |
| L3 | RF signálu | Páskové vedení 50Ω | 0.5 oz | 6 1000 | prepreg |
| L4 | Země | Rovina | 1 oz | 8 1000 | Jádro |
| ... | Symetrický | zrcadlo | ... | ... | ... |
Tabulka 2: Příklad konfigurace 12vrstvého 5G stohování (částečný) zobrazující horní vrstvy
7. Aspekty integrity signálu
Integrita signálu v deskách plošných spojů 5G zahrnuje řadu vzájemně souvisejících jevů, které mohou při správném řízení snížit výkon systému. Pochopení mechanismů degradace signálu a technik návrhu vrstev, které je zmírňují, odlišuje funkční návrhy od optimálních.
7.1 Mechanismy ztrát na vysokých frekvencích
Ztráta signálu dramaticky roste s frekvencí v důsledku mnoha fyzikálních efektů. Dielektrické ztráty vznikají molekulární polarizací v substrátu, protože elektrické pole osciluje na vysokofrekvenčních frekvencích. Dipóly v materiálu se snaží srovnat s polem a rozptylují energii ve formě tepla. Tato ztráta přímo koreluje s disipačním činitelem: zdvojnásobení Df přibližně zdvojnásobuje ztráty. Při 28 GHz ve standardním FR-4 (Df ≈ 0.020) mohou dielektrické ztráty překročit 1.5 dB na palec, zatímco Rogers RO3003 (Df ≈ 0.001) dosahuje za stejných podmínek ztrát pod 0.3 dB na palec. Ztráta ve vodiči se zvyšuje s druhou odmocninou frekvence v důsledku povrchového jevu – vysokofrekvenční proudy se koncentrují v blízkosti povrchů vodičů, čímž se zvyšuje efektivní odpor.
7.2 Návrh propojovacích kanálů pro aplikace s mmvlnami
Pahýly propojovacích otvorů – nevyužitá část průchozího otvoru, která sahá za vrstvu, kudy signál vystupuje, vytváří rezonanční struktury, které odrážejí signály na specifických frekvencích. Pahýl funguje jako zkratované přenosové vedení, jehož čtvrtvlnná rezonance způsobuje maximální odraz. Při 28 GHz s tloušťkou desky 50 mil může i pahýl o tloušťce 15 mil vytvářet problematické rezonance. Řešení zahrnují zpětné vrtání pro odstranění pahýlů nebo použití slepých/zapuštěných propojovacích otvorů, které končí přesně v signálové vrstvě.
Obrázek 9 – Deska plošných spojů s vrtaným otvorem
Závěr
Úspěšný návrh 5G PCB souvrství vyžaduje odborné znalosti z více oborů, tj. materiálové vědy, elektromagnetické teorie, výrobních procesů a tepelného managementu. Pokyny uvedené v tomto článku, od výběru materiálu přes strategie uzemnění až po řízení impedance, poskytují komplexní rámec pro vytváření vysoce kvalitních...
výkonné 5G návrhy.
Mezi hlavní výsledky patří:
1. Výběr materiálu ovlivňuje výkon a náklady – v případě potřeby použijte vysokofrekvenční lamináty, jinde FR-4.
2. Symetrické uspořádání s vhodnými referenčními rovinami je nedílnou součástí diskuse. 3. Integrita zemní roviny a propojení víček určují integritu signálu na milimetrových vlnách.
4. Řízení impedance vyžaduje přesné řízení dielektrické tloušťky a ověření řešiče pole.
5. Včasná spolupráce s výrobcem desek plošných spojů zabraňuje nákladným opětovným pájením.
Vzhledem k tomu, že se technologie 5G neustále vyvíjí směrem k vyšším frekvencím a větší složitosti, zde popsané kroky a metody zůstanou zásadní. Ať už navrhujete svůj první 5G produkt nebo optimalizujete stávající platformu, investování času do optimalizace stack-upu se vyplatí v oblasti výkonu systému, výrobního výtěžku a doby uvedení na trh.
