1. Introdução
1.1 A Revolução 5G e os Desafios das Placas de Circuito Impresso
A implementação global da tecnologia sem fio 5G representa a transformação mais significativa na infraestrutura de telecomunicações desde o surgimento do 4G LTE. Operando em duas faixas de frequência distintas: abaixo de 6 GHz para ampla cobertura e frequências de ondas milimétricas (mmWave) que variam de 24 a 77 GHz para ultra-alta velocidade.
A transmissão de dados em alta velocidade nas redes 5G exige uma precisão sem precedentes no projeto de placas de circuito impresso (PCBs). Ao contrário das aplicações convencionais de PCBs, os sistemas 5G precisam lidar com frequências de sinal onde até mesmo falhas microscópicas de projeto podem causar degradação catastrófica do desempenho.
De acordo com análises do setor, o mercado global de infraestrutura 5G deverá ultrapassar US$ 47.7 bilhões até 2027, impulsionando uma demanda massiva por soluções de PCB de alto desempenho. Esse crescimento cria oportunidades e desafios para os projetistas de PCB, que precisam dominar a complexa relação entre as propriedades dos materiais, a configuração das camadas e o comportamento do sinal em radiofrequências. A transição do 4G para o 5G não é uma simples atualização incremental; ela exige uma reformulação fundamental da arquitetura de empilhamento de PCBs.
Figura 1 – Espectro de frequência com bandas abaixo de 6 GHz e de ondas milimétricas destacadas
1.2 Papel crucial do projeto de empilhamento no desempenho do 5G
A estrutura da placa de circuito impresso (PCB), o arranjo cuidadosamente orquestrado de camadas de cobre, materiais dielétricos e substratos centrais, serve como base para a integridade de todo o sinal 5G. Em frequências de ondas milimétricas, a energia eletromagnética se comporta de acordo com princípios que parecem quase contraintuitivos para projetistas acostumados a aplicações de frequências mais baixas. Os comprimentos de onda dos sinais diminuem para a escala milimétrica, tornando-se extremamente sensíveis.
Características como vias e descontinuidades de trilhas, que eram insignificantes a 1 GHz, tornam-se importantes fontes de reflexão e perda de sinal a 28 GHz.
Uma configuração de camadas de PCB 5G bem projetada deve atender simultaneamente a múltiplos requisitos conflitantes: impedância controlada para evitar reflexões de sinal, baixa perda de inserção para preservar a intensidade do sinal, blindagem eficaz contra interferência eletromagnética (EMI) para evitar diafonia entre circuitos e gerenciamento térmico robusto para dissipar o calor dos amplificadores de RF de alto consumo de energia. A configuração das camadas impacta diretamente cada um desses parâmetros, tornando-se a decisão mais crítica em todo o processo de projeto de PCB 5G.
2. Compreendendo os requisitos de PCB para 5G
2.1 Espectro de Frequência e Características do Sinal 5G
Bandas abaixo de 6 GHz: Base para ampla cobertura
O espectro abaixo de 6 GHz, que abrange frequências de 600 MHz a 6 GHz, representa a espinha dorsal da cobertura 5G. Essas frequências mais baixas proporcionam as características de propagação necessárias para a implantação de redes de longa distância, oferecendo melhor penetração em edifícios e maior alcance em comparação com as ondas milimétricas. Do ponto de vista do projeto de placas de circuito impresso (PCBs), os sinais abaixo de 6 GHz apresentam desafios moderados, mais exigentes do que os do 4G LTE, mas menos extremos do que os das aplicações de ondas milimétricas.
Bandas de ondas milimétricas (24-77 GHz): Requisitos de extrema precisão A tecnologia 5G de ondas milimétricas, operando principalmente nas bandas de 24 GHz, 28 GHz, 39 GHz e 77 GHz, leva a tecnologia de PCBs ao seu limite. A 28 GHz, o comprimento de onda em um laminado Rogers RO4350B típico (Dk = 3.48) mede apenas 5.7 mm. Isso significa que um stub de um quarto de comprimento de onda – um comprimento de ressonância crítico – abrange apenas 1.4 mm. Os tradicionais furos metalizados, que rotineiramente deixam stubs de 2 a 3 mm, tornam-se ressonadores parasitas significativos que podem destruir completamente a integridade do sinal.
Figura 2 – Comparação detalhada do comprimento de onda mostrando as dimensões físicas.
2.2 Parâmetros elétricos essenciais para arquiteturas 5G
Diversos parâmetros elétricos regem o desempenho de PCBs 5G, cada um exigindo consideração cuidadosa durante o projeto da estrutura de camadas. A constante dielétrica (Dk ou εr) determina a velocidade de propagação do sinal e os valores de impedância controlada. Para aplicações 5G, a estabilidade da Dk em toda a faixa de frequência e temperatura é fundamental. Um material cuja Dk varia em 5% com a temperatura causará variações de impedância que geram reflexões e degradam a integridade do sinal em circuitos de RF de precisão.
O fator de dissipação (Df), também chamado de tangente de perda (tan δ), quantifica as perdas dielétricas. O FR-4 padrão apresenta valores de Df de 0.015 a 0.020 a 10 GHz, enquanto materiais de alto desempenho como o Rogers RO3003 atingem 0.0010 na mesma frequência, uma melhoria de 15 a 20 vezes.
As tolerâncias de controle de impedância tornam-se drasticamente mais rigorosas para aplicações 5G. Enquanto uma tolerância de impedância de ±10% pode ser suficiente para muitas aplicações, os circuitos de RF 5G normalmente exigem um controle de ±5% ou mais preciso.
| Material | Dielétrico Constante (Dk) | Fator de dissipação (Df) | Melhor Aplicação |
| Padrão FR-4 | 4.2-4.5 a 1 GHz | 0.015-0.020 | Digital, sub-6 GHz não crítico |
| Rogers RO4350B | 3.48 a 10 GHz | 0.0037 | RF abaixo de 6 GHz, ondas milimétricas com excelente custo-benefício |
| Rogers RO3003 | 3.00 a 10 GHz | 0.0010 | estações base mmWave de alto desempenho |
| RT / duroid 5880 | 2.20 a 10 GHz | 0.0009 | Perda ultrabaixa >20 GHz, matrizes de fase |
Tabela 1: Comparação de materiais laminados de alta frequência para aplicações em PCBs 5G
2.3 Requisitos Físicos e Térmicos
As placas de circuito impresso (PCBs) 5G normalmente requerem de 10 a 16 camadas de cobre para acomodar os requisitos de roteamento denso dos modernos transceptores de radiofrequência (RF), processadores de banda base, circuitos de gerenciamento de energia e interfaces digitais associadas. A tecnologia de interconexão de alta densidade (HDI), com microvias de apenas 0.1 mm de diâmetro, vias cegas e enterradas e roteamento em qualquer camada, torna-se essencial para atingir a densidade de componentes exigida pela integração de sistemas 5G, mantendo, ao mesmo tempo, caminhos de sinal com impedância controlada.
O gerenciamento térmico apresenta desafios significativos em projetos 5G. Amplificadores de potência em aplicações de estações base podem dissipar de 50 a 100 watts, gerando pontos quentes localizados que atingem de 85 a 100 °C durante a operação. O substrato da placa de circuito impresso (PCB) deve possuir condutividade térmica suficiente (≥1.5 W/m·K) para dissipar esse calor por toda a área da placa e transferi-lo para dissipadores de calor ou sistemas de gerenciamento térmico. A resistência a altas temperaturas, medida como Índice Térmico Relativo (RTI) ≥150 °C, garante a estabilidade do material sob condições operacionais contínuas.
As tolerâncias de fabricação para PCBs 5G são consideravelmente mais rigorosas. A precisão de registro — a precisão de alinhamento entre as camadas de cobre — deve atingir ±75 μm (±3 mils) ou melhor para aplicações de ondas milimétricas, em comparação com ±150 μm para projetos convencionais.
3. Seleção de materiais para empilhamento de 5G
3.1 Materiais Laminados de Alta Frequência
Rogers Materials: Padrão da Indústria para Desempenho de RF
Os laminados de alta frequência da Rogers Corporation tornaram-se o padrão de facto para aplicações de PCBs 5G, oferecendo propriedades dielétricas cuidadosamente projetadas que permanecem estáveis em amplas faixas de frequência e temperatura. A série RO4000, particularmente o RO4350B, apresenta um excelente equilíbrio entre desempenho de RF e facilidade de fabricação. Com uma constante dielétrica de 3.48 ±0.05 e um fator de dissipação de 0.0037 a 10 GHz, o RO4350B proporciona um controle de impedância previsível, utilizando técnicas de processamento FR-4 padrão, sem necessidade de tratamentos especiais de vias ou parâmetros de perfuração modificados.
Para aplicações que exigem perdas ainda menores, a série RO3000 oferece desempenho excepcional. O RO3003, com sua construção em PTFE com carga cerâmica, atinge Df de 0.0010 e Dk de 3.00, propriedades que permanecem notavelmente consistentes de 10 MHz a 40 GHz. Este material se destaca em projetos de amplificadores de potência para estações base e outras aplicações onde cada décimo de dB de perda de inserção impacta o desempenho do sistema. A contrapartida são custos de material mais elevados (tipicamente 3 a 5 vezes maiores que os do RO4350B) e requisitos de fabricação mais exigentes.
Figura 3 – Vista em corte da construção do laminado Rogers RO4350B mostrando a folha de cobre, o sistema de resina e o reforço de fibra de vidro.
3.2 FR-4 em aplicações 5G: Entendendo as limitações
O FR-4 padrão continua viável para partes específicas de projetos 5G, particularmente seções de processamento de sinal digital, redes de distribuição de energia e aplicações abaixo de 6 GHz, onde os requisitos de desempenho de RF são menos rigorosos. FR-4 modernos de alta qualidade, de fabricantes como Shengyi, Panasonic e ITEQ, podem atingir valores de Df de 0.012 a 0.015 em 5 GHz quando se utilizam sistemas de resina e reforços de fibra de vidro apropriados.
Aceitável para muitos caminhos de sinal abaixo de 6 GHz.
No entanto, as limitações do FR-4 tornam-se pronunciadas em frequências mais altas. O coeficiente dielétrico (Dk) do material varia tipicamente em ±10% na faixa de temperatura de operação (-40 °C a +85 °C), em comparação com ±2% para laminados de alta frequência. Essa variação se traduz em flutuações de impedância que podem causar erros de bit induzidos por reflexão em interfaces digitais de alta velocidade e degradar o desempenho do sistema de radiofrequência (RF). Além disso, o reforço de fibra de vidro do FR-4 cria variações localizadas no Dk efetivo — o "efeito de trama da fibra" — que se torna problemático para trilhas que percorrem ângulos oblíquos em relação ao padrão da fibra de vidro.
3.3 Estratégias Híbridas de Acumulação de Recursos: Otimizando Desempenho e Custo
As estruturas híbridas que combinam laminados de alta frequência com FR-4 oferecem uma excelente abordagem para equilibrar desempenho e custo em projetos complexos de 5G. A estratégia principal utiliza materiais caros de baixa perda apenas onde os sinais de RF trafegam, enquanto o FR-4, mais econômico, é usado nas camadas internas que transportam sinais digitais, distribuição de energia e suporte mecânico. Uma estrutura híbrida típica pode usar Rogers RO4350B para as duas camadas externas (L1 e L12 em um projeto de 12 camadas), onde residem as linhas de transmissão de microfita de RF, com núcleos de FR-4 compondo as camadas internas.
Figura 4 – Diagrama em corte transversal de uma estrutura híbrida de 12 camadas mostrando as camadas externas de Rogers RO4350B para sinais de RF.
4. Estratégias de configuração de camadas para 5G
4.1 Princípios Fundamentais de Acumulação
Antes de abordarmos configurações de camadas específicas, alguns princípios fundamentais regem todos os projetos profissionais de empilhamento de PCBs 5G. A simetria é a consideração de fabricação mais crítica: o empilhamento deve ser balanceado em torno da linha central da placa para evitar deformações durante a laminação e os ciclos térmicos. Isso significa igualar a espessura do cobre, a espessura do núcleo e a quantidade de pré-impregnados em lados opostos do plano central. Uma placa com excesso de cobre em um lado irá se curvar como uma batata frita após a soldagem por refluxo — um resultado inaceitável para montagens de RF de precisão.
A adjacência do plano de referência é igualmente importante: cada camada de sinal deve ter um plano de terra ou de alimentação ininterrupto imediatamente adjacente a ela. Isso proporciona o caminho de retorno de baixa indutância que os sinais de alta frequência exigem, ao mesmo tempo que protege a camada de sinal contra interferências.
O emparelhamento de camadas envolve o agrupamento de camadas de sinal por função e requisitos elétricos. Pares diferenciais de alta velocidade devem ser roteados na mesma camada, com a correspondência de comprimento obtida por meio de roteamento serpentino, em vez de dividir os pares entre camadas. As camadas de sinal de RF normalmente ocupam as camadas externas, onde podem ser implementadas como linhas de transmissão microstrip, proporcionando fácil acesso para ajuste e depuração.
4.2 Arquitetura de 8 Camadas: Ponto de Partida para Projetos 5G
Uma arquitetura de 8 camadas representa o número mínimo de camadas necessário para aplicações básicas de 5G, como dispositivos IoT, rádios de células pequenas ou módulos de RF simples abaixo de 6 GHz. Embora limitada em comparação com arquiteturas de camadas mais complexas, uma estrutura de 8 camadas bem projetada pode suportar projetos de complexidade moderada com roteamento e posicionamento de componentes adequados.
Configuração recomendada de 8 camadas:
• Camada 1: Sinal de RF e alta velocidade crítica (microfita, 50Ω)
• Camada 2: Plano de Terra (caminho de retorno de RF primário)
• Camada 3: Sinais digitais de alta velocidade (linha de transmissão, diferencial de 50 Ω ou 100 Ω) • Camada 4: Plano de alimentação (divisão de +3.3 V e +1.8 V)
• Camada 5: Plano de alimentação (espelhado: divisão de +3.3 V e +1.8 V)
• Camada 6: Sinais digitais de alta velocidade (linha de transmissão, ortogonal à L3)
• Camada 7: Plano de Terra (caminho de retorno secundário)
• Camada 8: Sinal de RF e alta velocidade crítica (microfita, 50Ω)
Essa configuração proporciona simetria (L1-L2-L3-L4 espelham L8-L7-L6-L5), garante que cada camada de sinal tenha um plano de referência adjacente e posiciona os planos de potência no centro, onde sua capacitância melhor contribui para o desacoplamento. As espessuras dielétricas típicas podem ser: L1-L2 = 6 mils (RO4350B para RF), L2-L3 = 8 mils (núcleo), L3-L4 = 14 mils (pré-impregnado), L4-L5 = 20 mils (núcleo), espelhadas simetricamente em relação a L8.
4.3 Arquitetura de 12 camadas: Aplicações avançadas do 5G
Para módulos de estação base de sistemas 5G sofisticados, conjuntos de antenas MIMO massivos ou smartphones de última geração, uma arquitetura de 12 camadas fornece a densidade de roteamento e o desempenho de integridade de sinal necessários para resultados ideais. As camadas adicionais permitem
Isolamento completo das seções de RF, digitais e de potência, ao mesmo tempo que fornece múltiplos planos de aterramento para uma blindagem superior.
Configuração otimizada de 12 camadas para ondas milimétricas:
• Camada 1: Camada de sinal RF A (alimentação de antena mmWave, microfita de 50 Ω) • Camada 2: Plano de terra A (retorno RF primário, 1 oz de cobre)
• Camada 3: Camada B do sinal de RF (caminhos secundários de RF, linha de transmissão de 50 Ω)
• Camada 4: Plano de Terra B (isolamento e retorno de RF, 1 oz de Cu)
• Camada 5: Plano de alimentação A (alimentação de RF: alimentação PA de +5V, 2 oz de Cu)
• Camada 6: Digital de alta velocidade (SerDes, DDR, PCIe stripline)
• Camada 7: Digital de Alta Velocidade (roteamento ortogonal à Camada 6)
• Camada 8: Plano de alimentação B (Alimentação digital: divisões de +3.3 V, +1.8 V e +1.2 V, 2 oz de cobre) • Camada 9: Plano de aterramento C (retorno digital e blindagem, 1 oz de cobre)
• Camada 10: Sinais de baixa velocidade e roteamento (controle, I2C, SPI)
• Camada 11: Plano de aterramento D (camada de blindagem final, 1 oz de Cu)
• Camada 12: Camada de Sinal de RF C (RF secundário, posicionamento de componentes, microfita de 50 Ω) Esta configuração SGSGPSSPGSGS proporciona desempenho excepcional: quatro planos de aterramento separados criam múltiplas barreiras de blindagem, as camadas de RF são completamente isoladas do ruído de comutação digital e o roteamento de RF em stripline na L3 oferece excelente blindagem para caminhos sensíveis. A estrutura mantém a simetria em relação ao plano central L6-L7.
Figura 5 – Corte transversal detalhado de uma placa de circuito impresso (PCB) 5G de 12 camadas, mostrando as espessuras das camadas, a quantidade de cobre e o plano de sinal.
5. Técnicas de aterramento para PCBs 5G
5.1 Fundamentos de aterramento para projeto de alta frequência
Em altas frequências, o terra não é simplesmente um ponto de referência de tensão zero, mas sim uma estrutura eletromagnética complexa cujo comportamento domina o desempenho da integridade do sinal. O princípio fundamental: as correntes de retorno de alta frequência fluem diretamente sob as trilhas de sinal associadas, seguindo o caminho de impedância mínima. Esse caminho depende não da resistência CC, mas da indutância; as correntes de retorno se concentram naturalmente na região de acoplamento máximo do campo magnético com o condutor de sinal.
O efeito pelicular em frequências de ondas milimétricas significa que as correntes de retorno fluem apenas nas primeiras centenas de nanômetros da superfície do plano de aterramento. Isso torna o acabamento da superfície e o potencial de oxidação surpreendentemente importantes — o cobre oxidado apresenta maior resistência a radiofrequência do que o cobre brilhante. Por esse motivo, muitos projetistas especificam acabamentos de superfície ENIG (níquel químico por imersão em ouro) em planos de aterramento em áreas críticas de radiofrequência, apesar da pequena indutância adicional introduzida pela camada de níquel.
5.2 Implementação de Plano de Terra Sólido
Um plano de aterramento contínuo e ininterrupto representa a característica mais importante de qualquer estrutura de PCB de alta frequência. Imagine o plano de aterramento como uma superfície perfeitamente lisa, ideal para o fluxo de correntes de retorno; qualquer obstrução (vazio, ranhura, recorte) cria turbulência que irradia energia e reflete sinais. Para aplicações 5G, a integridade do plano de aterramento é imprescindível: cada plano de aterramento deve se estender de uma extremidade à outra da placa com o mínimo de interrupções.
Quando as divisões do plano de terra se tornarem inevitáveis, seja para separar seções analógicas e digitais ou para criar alívio térmico ao redor dos furos de montagem, utilize capacitores de interconexão para preencher a lacuna. Posicione capacitores de 0.1 μF ou menores em intervalos de 1 a 2 cm ao longo da divisão, fornecendo um curto-circuito CA em frequências de RF, mantendo o isolamento CC. Nunca direcione sinais de alta velocidade ou RF através de divisões do plano de terra; se uma trilha precisar cruzar uma divisão, direcione-a perpendicularmente para minimizar a área do loop e adicione um via de terra imediatamente adjacente ao ponto de cruzamento.
5.3 Técnicas de Costura e Cercamento no Solo
A utilização de vias de aterramento para conectar planos de aterramento entre camadas é um dos aspectos mais críticos, porém frequentemente negligenciados, do projeto de PCBs 5G. Em frequências de ondas milimétricas, a indutância, mesmo de uma conexão de aterramento curta, torna-se significativa. Uma única via de 10 milésimos de polegada de diâmetro em uma placa de 62 milésimos de polegada de espessura apresenta uma indutância de aproximadamente 0.7 nH, aparentemente desprezível, mas a 28 GHz isso representa uma impedância de aproximadamente 123 ohms, suficiente para degradar severamente as conexões de aterramento em altas frequências.
A solução reside em arranjos de vias em paralelo. O uso de quatro vias em paralelo reduz a indutância efetiva em aproximadamente 4 vezes (considerando os efeitos de indutância mútua), levando a impedância de conexão a níveis mais aceitáveis. Para componentes de RF críticos, coloque de 3 a 4 vias de aterramento imediatamente adjacentes a cada pino de aterramento, conectando-as ao pino de aterramento mais próximo.
Plano de aterramento sólido. Posicione esses furos de passagem o mais próximo possível do componente, pois a indutância aumenta com o comprimento do furo, tornando os caminhos curtos essenciais.
Figura 6 – Vista superior do layout da placa de circuito impresso mostrando o padrão de interconexão das vias ao redor.
6. Controle de impedância em arquiteturas 5G
6.1 Fundamentos da Impedância Controlada
A impedância controlada representa a base da alta velocidade e da integridade do sinal de radiofrequência (RF). Quando a fonte, o caminho de transmissão e a terminação de um sinal apresentam a mesma impedância característica, a energia é transferida completamente da fonte para a carga, sem reflexões. Desajustes de impedância fazem com que partes do sinal sejam refletidas de volta para a fonte, criando ondas estacionárias, oscilações e interferência intersimbólica que corrompem sinais digitais e degradam o desempenho do sistema de RF.
Para aplicações 5G, a impedância de 50 ohms em terminação única tornou-se o padrão universal para circuitos de RF e micro-ondas. Esse valor surgiu da otimização entre a capacidade de transmissão de potência e as perdas em cabos coaxiais, e todo o ecossistema de RF — conectores, equipamentos de teste e componentes — assume sistemas de 50 ohms.
As interfaces digitais de alta velocidade normalmente usam impedância de terminação única de 50 ohms (para sinais de terminação única, como clocks) ou impedância diferencial de 100 ohms (para pares diferenciais, como MIPI, PCIe e USB).
6.2 Configuração de microfita para sinais de RF
A microfita, uma trilha de sinal na camada externa da placa com um plano de aterramento na camada interna adjacente, representa a configuração de linha de transmissão mais comum para circuitos de RF.
A impedância característica de uma microfita depende da largura da trilha (W), da altura acima do plano de aterramento (H), da espessura do cobre (T) e da constante dielétrica do material do substrato (εr). Em uma aproximação de primeira ordem, trilhas mais largas e dielétricos mais espessos aumentam a impedância, enquanto constantes dielétricas mais altas diminuem a impedância.
Exemplo de cálculo de microfita: para atingir 50 Ω em uma trilha de Rogers RO4350B de 5 milésimos de polegada de espessura (εr = 3.48) com 1 oz de cobre, são necessárias aproximadamente 11 milésimos de polegada de largura. A mesma impedância em um dielétrico de 4 milésimos de polegada requer 8.5 milésimos de polegada de largura, demonstrando a sensibilidade à espessura do dielétrico.
Figura 7 – Diagrama em corte transversal da geometria da linha de transmissão microstrip
6.4 Impedância de Par Diferencial para Interfaces de Alta Velocidade
A sinalização diferencial, que transmite dados como a diferença de tensão entre dois sinais complementares, domina as interfaces digitais modernas de alta velocidade devido à sua superior imunidade a ruídos e à redução da interferência eletromagnética (EMI). A impedância diferencial (Zdiff) depende tanto da impedância de terminação única de cada trilha (Z0) quanto do acoplamento entre as trilhas. Para trilhas fracamente acopladas, Zdiff ≈ 2 × Z0. À medida que as trilhas se aproximam, o acoplamento aumenta, reduzindo a impedância diferencial abaixo dessa proporção de 2:1.
Para uma impedância diferencial de 100 ohms (o padrão para a maioria das interfaces digitais de alta velocidade), os projetos típicos utilizam trilhas de terminação única de 50 ohms com acoplamento que reduz a impedância diferencial para 100 ohms. Em microfita com trilhas acopladas pelas bordas, atingir uma impedância diferencial de 100 ohms normalmente requer um espaçamento entre as trilhas de 1.5 a 2 vezes a largura da trilha. Um espaçamento menor aumenta o acoplamento e reduz ainda mais a impedância diferencial; um espaçamento maior diminui o acoplamento e aumenta a impedância diferencial.
| Camada | função | Formato | Peso Cu | Espessura | Material |
| L1 | Sinal de RF | Microfita 50Ω | 0.5 oz | - | RO4350B |
| L2 | Solo | Avião | 1 oz | Mil 5 | Setores de |
| L3 | Sinal de RF | Stripline 50Ω | 0.5 oz | Mil 6 | Pré-impregnado |
| L4 | Solo | Avião | 1 oz | Mil 8 | Setores de |
| ... | Simétrico | Espelho | ... | ... | ... |
Tabela 2: Exemplo de configuração de empilhamento 5G de 12 camadas (parcial) mostrando as camadas superiores
7. Considerações sobre a integridade do sinal
A integridade do sinal em PCBs 5G engloba múltiplos fenômenos inter-relacionados que podem degradar o desempenho do sistema se não forem gerenciados adequadamente. Compreender os mecanismos de degradação do sinal e as técnicas de projeto de camadas que os mitigam diferencia projetos funcionais de projetos otimizados.
7.1 Mecanismos de Perda de Alta Frequência
A perda de sinal aumenta drasticamente com a frequência devido a múltiplos efeitos físicos. A perda dielétrica surge da polarização molecular no material do substrato à medida que o campo elétrico oscila em frequências de radiofrequência; os dipolos no material tentam se alinhar com o campo, dissipando energia na forma de calor. Essa perda está diretamente relacionada ao fator de dissipação: dobrar o Df praticamente dobra a perda. A 28 GHz em FR-4 padrão (Df ≈ 0.020), as perdas dielétricas podem exceder 1.5 dB por polegada, enquanto o Rogers RO3003 (Df ≈ 0.001) atinge perdas abaixo de 0.3 dB por polegada sob condições idênticas. A perda no condutor aumenta com a raiz quadrada da frequência devido ao efeito pelicular; correntes de alta frequência se concentram perto das superfícies do condutor, aumentando a resistência efetiva.
7.2 Projeto de vias para aplicações de ondas milimétricas
Os stubs (porções não utilizadas de um furo passante que se estendem além da camada onde o sinal sai) criam estruturas ressonantes que refletem sinais em frequências específicas. O stub atua como uma linha de transmissão em curto-circuito, cuja ressonância de um quarto de comprimento de onda causa reflexão máxima. A 28 GHz com uma placa de 50 milésimos de polegada de espessura, mesmo um stub de 15 milésimos de polegada pode criar ressonâncias problemáticas. As soluções incluem a perfuração reversa para remover os stubs ou o uso de vias cegas/enterradas que terminam exatamente na camada de sinal.
Figura 9 – Via perfurada na parte traseira da placa de circuito impresso
Conclusão
O projeto bem-sucedido da estrutura de placas de circuito impresso (PCB) para 5G exige conhecimento em diversas disciplinas, como ciência dos materiais, teoria eletromagnética, processos de fabricação e gerenciamento térmico. As diretrizes apresentadas neste artigo, desde a seleção de materiais e estratégias de aterramento até o controle de impedância, fornecem uma estrutura abrangente para a criação de alta qualidade.
Designs de alto desempenho para 5G.
Os principais resultados incluem:
1. A seleção de materiais influencia o desempenho e o custo: utilize laminados de alta frequência onde necessário e FR-4 em outros casos.
2. Empilhamentos simétricos com planos de referência adequados são imprescindíveis. 3. A integridade do plano de aterramento e a interconexão de vias determinam a integridade do sinal em ondas milimétricas.
4. O controle de impedância requer um controle preciso da espessura do dielétrico e a verificação do solucionador de campo.
5. A colaboração antecipada com o fabricante da sua placa de circuito impresso evita retrabalhos dispendiosos.
À medida que a tecnologia 5G continua a evoluir para frequências mais altas e maior complexidade, as etapas e os métodos descritos aqui permanecerão fundamentais. Seja você um desenvolvedor projetando seu primeiro produto 5G ou um profissional otimizando uma plataforma existente, investir tempo na otimização da arquitetura 5G traz benefícios em termos de desempenho do sistema, rendimento de fabricação e tempo de lançamento no mercado.
