1. Введение
1.1 Революция 5G и проблемы печатных плат
Глобальное внедрение беспроводной технологии 5G представляет собой наиболее значительную трансформацию телекоммуникационной инфраструктуры со времен появления 4G LTE. Она работает в двух различных частотных диапазонах: ниже 6 ГГц для широкого покрытия и в миллиметровом диапазоне (mmWave) от 24 до 77 ГГц для сверхвысокочастотного диапазона.
Для высокоскоростной передачи данных в сетях 5G требуется беспрецедентная точность в проектировании печатных плат (PCB). В отличие от традиционных приложений для печатных плат, системы 5G должны обрабатывать сигналы на таких частотах, где даже микроскопические конструктивные недостатки могут привести к катастрофическому ухудшению производительности.
Согласно отраслевому анализу, прогнозируется, что к 2027 году объем мирового рынка инфраструктуры 5G превысит 47.7 млрд долларов, что приведет к огромному спросу на высокопроизводительные решения для печатных плат. Этот рост создает как возможности, так и проблемы для разработчиков печатных плат, которым необходимо освоить сложную взаимосвязь между свойствами материалов, конфигурацией слоев и поведением сигнала на радиочастотах. Переход от 4G к 5G — это не просто поэтапное обновление, а фундаментальное переосмысление архитектуры многослойной структуры печатных плат.
Рисунок 1 – частотный спектр с выделенными диапазонами ниже 6 ГГц и миллиметровых волн.
1.2 Критическая роль многослойной архитектуры в повышении производительности 5G
Тщательно продуманное расположение слоев меди, диэлектрических материалов и основных подложек на печатной плате служит основой, от которой зависит целостность сигнала 5G. На миллиметровых частотах электромагнитная энергия ведет себя в соответствии с принципами, которые кажутся почти нелогичными разработчикам, привыкшим к приложениям на более низких частотах. Длина волны сигнала уменьшается до миллиметрового масштаба, что делает
Такие особенности, как сквозные шлейфы и разрывы в трассах, которые были незначительны на частоте 1 ГГц, становятся основными источниками отражения и потерь сигнала на частоте 28 ГГц.
Правильно спроектированная структура печатной платы 5G должна одновременно учитывать множество противоречащих друг другу требований: контролируемое сопротивление для предотвращения отражения сигнала, низкие вносимые потери для сохранения мощности сигнала, эффективное экранирование от электромагнитных помех (ЭМП) для предотвращения перекрестных помех между цепями и надежное управление тепловым режимом для рассеивания тепла от энергоемких радиочастотных усилителей. Конфигурация структуры напрямую влияет на каждый из этих параметров, что делает ее самым важным решением во всем процессе проектирования печатной платы 5G.
2. Понимание требований к печатным платам 5G
2.1 Частотный спектр и характеристики сигнала 5G
Диапазоны частот ниже 6 ГГц: основа для широкого покрытия.
Суб-6 ГГц диапазон частот, охватывающий диапазон от 600 МГц до 6 ГГц, представляет собой основу покрытия 5G. Эти более низкие частоты обеспечивают характеристики распространения, необходимые для развертывания широкополосных сетей, предлагая лучшее проникновение сигнала в здания и большую дальность действия по сравнению с миллиметровыми волнами. С точки зрения проектирования печатных плат, сигналы суб-6 ГГц представляют собой умеренные проблемы, более сложные, чем в сетях 4G LTE, но менее экстремальные, чем в приложениях миллиметровых волн.
Миллиметровые диапазоны (24-77 ГГц): требования к предельной точности. Технология 5G в миллиметровом диапазоне, работающая преимущественно в диапазонах 24 ГГц, 28 ГГц, 39 ГГц и 77 ГГц, доводит технологии печатных плат до предела. На частоте 28 ГГц длина волны в типичном ламинате Rogers RO4350B (Dk = 3.48) составляет всего 5.7 мм. Это означает, что четверть длины волны, являющаяся критической резонансной длиной, охватывает всего 1.4 мм. Традиционные металлизированные сквозные отверстия, которые обычно оставляют отрезки длиной 2-3 мм, становятся значительными паразитными резонаторами, способными полностью разрушить целостность сигнала.
Рисунок 2 – Подробное сравнение длин волн с указанием физических размеров.
2.2 Ключевые электрические параметры для стеков 5G
На характеристики печатных плат 5G влияют несколько электрических параметров, каждый из которых требует тщательного учета при проектировании структуры. Диэлектрическая постоянная (Dk или εr) определяет скорость распространения сигнала и значения контролируемого импеданса. Для приложений 5G стабильность Dk как по частоте, так и по температуре имеет первостепенное значение. Материал, у которого Dk изменяется на 5% в зависимости от температуры, вызовет изменения импеданса, которые приведут к отражениям и ухудшат целостность сигнала в прецизионных радиочастотных схемах.
Коэффициент диссипации (Df), также называемый тангенсом угла диэлектрических потерь (tan δ), количественно определяет диэлектрические потери. Стандартный материал FR-4 демонстрирует значения Df 0.015-0.020 на частоте 10 ГГц, в то время как высокоэффективные материалы, такие как Rogers RO3003, достигают значения 0.0010 на той же частоте, что в 15-20 раз выше.
В приложениях 5G допуски на контроль импеданса значительно ужесточаются. Если для многих приложений достаточно допуска импеданса ±10%, то в радиочастотных схемах 5G обычно требуется контроль ±5% или более жесткий допуск.
| Материал | диэлектрический Константа (Dk) | Коэффициент затухания (Дф) | Лучшее приложение |
| FR-4 Стандарт | 4.2-4.5 @ 1 ГГц | 0.015-0.020 | Цифровой, некритичный, диапазон частот ниже 6 ГГц |
| Роджерс RO4350B | 3.48 @ 10GHz | 0.0037 | Радиочастотный диапазон ниже 6 ГГц, экономичное решение для миллиметровых волн. |
| Роджерс RO3003 | 3.00 @ 10GHz | 0.0010 | Высокопроизводительные базовые станции миллиметрового диапазона |
| RT / дюроид 5880 | 2.20 @ 10GHz | 0.0009 | Фазированные антенные решетки со сверхнизкими потерями (>20 ГГц). |
Таблица 1: Сравнение высокочастотных ламинированных материалов для применения в печатных платах 5G.
2.3 Физические и тепловые требования
Для печатных плат 5G обычно требуется 10-16 медных слоев, чтобы обеспечить высокую плотность трассировки современных радиочастотных трансиверов, процессоров базовой полосы, схем управления питанием и связанных с ними цифровых интерфейсов. Технология межсоединений высокой плотности (HDI), включающая микропереходы диаметром до 0.1 мм, глухие и скрытые переходные отверстия, а также трассировку на любом слое, становится необходимой для достижения плотности компонентов, требуемой для интеграции в системы 5G, при сохранении контролируемого импеданса сигнальных трактов.
Управление тепловыми процессами представляет собой серьезную проблему в проектах 5G. Усилители мощности в базовых станциях могут рассеивать 50-100 Вт, создавая локальные зоны перегрева, достигающие 85-100 °C во время работы. Подложка печатной платы должна обладать достаточной теплопроводностью (≥1.5 Вт/м·К), чтобы распределять это тепло по всей площади платы и передавать его на радиаторы или системы управления тепловыми процессами. Высокая термостойкость, измеряемая относительным тепловым индексом (RTI) ≥150 °C, обеспечивает стабильность материала в условиях длительной эксплуатации.
Для печатных плат 5G значительно ужесточаются производственные допуски. Точность совмещения — точность выравнивания между медными слоями — должна достигать ±75 мкм (±3 мил) или лучше для миллиметровых волн, по сравнению с ±150 мкм для традиционных конструкций.
3. Выбор материалов для 5G-стеков
3.1 Высокочастотные ламинированные материалы
Материалы Rogers: отраслевой стандарт для радиочастотных характеристик.
Высокочастотные ламинаты Rogers Corporation стали де-факто стандартом для печатных плат 5G, предлагая тщательно разработанные диэлектрические свойства, которые остаются стабильными в широком диапазоне частот и температур. Серия RO4000, в частности RO4350B, обеспечивает превосходный баланс между радиочастотными характеристиками и технологичностью производства. Благодаря диэлектрической постоянной 3.48 ±0.05 и коэффициенту диссипации 0.0037 на частоте 10 ГГц, RO4350B обеспечивает предсказуемый контроль импеданса при использовании стандартных технологий обработки FR-4, не требующих специальной обработки переходных отверстий или изменения параметров сверления.
Для применений, требующих еще меньших потерь, серия RO3000 обеспечивает исключительную производительность. RO3003, благодаря своей конструкции из ПТФЭ с керамическим наполнителем, обеспечивает значения Df 0.0010 и Dk 3.00, которые остаются удивительно стабильными в диапазоне частот от 10 МГц до 40 ГГц. Этот материал превосходно подходит для проектирования усилителей мощности базовых станций и других применений, где каждая десятая доля дБ потерь на входе влияет на производительность системы. Компромисс заключается в более высокой стоимости материала (обычно в 3-5 раз выше, чем у RO4350B) и более высоких требованиях к изготовлению.
Рисунок 3 – Поперечный разрез конструкции ламината Rogers RO4350B, показывающий медную фольгу, смоляную систему и стекловолоконное армирование.
3.2 FR-4 в приложениях 5G: понимание ограничений
Стандартный FR-4 остается пригодным для использования в определенных областях проектирования 5G, особенно в секциях цифровой обработки сигналов, сетях распределения питания и приложениях в диапазоне частот ниже 6 ГГц, где требования к радиочастотным характеристикам менее строгие. Современный высококачественный FR-4 от таких производителей, как Shengyi, Panasonic и ITEQ, может достигать значений Df 0.012-0.015 на частоте 5 ГГц при использовании соответствующих смоляных систем и стекловолоконного армирования.
подходит для многих сигнальных трактов с частотой ниже 6 ГГц.
Однако ограничения FR-4 становятся особенно заметными на высоких частотах. Диэлектрическая проницаемость материала (Dk) обычно изменяется на ±10% в диапазоне рабочих температур (-40°C до +85°C), по сравнению с ±2% для высокочастотных ламинатов. Это изменение приводит к колебаниям импеданса, которые могут вызывать ошибки передачи данных, вызванные отражением, в высокоскоростных цифровых интерфейсах и ухудшать характеристики радиочастотных систем. Кроме того, армирование стекловолокном в FR-4 создает локальные изменения эффективной диэлектрической проницаемости (Dk) — «эффект плетения волокон», который становится проблематичным для дорожек, проложенных под косым углом к рисунку стекловолокна.
3.3 Гибридные стратегии построения конфигураций: оптимизация производительности и стоимости
Гибридные многослойные структуры, сочетающие высокочастотные ламинаты с FR-4, представляют собой превосходный подход к балансу производительности и стоимости в сложных проектах 5G. Основная стратегия заключается в размещении дорогостоящих материалов с низкими потерями только там, где распространяются радиочастотные сигналы, в то время как экономичный FR-4 используется для внутренних слоев, передающих цифровые сигналы, распределяющих питание и обеспечивающих механическую поддержку. Типичная гибридная многослойная структура может использовать Rogers RO4350B для двух внешних слоев (L1 и L12 в 12-слойной конструкции), где расположены радиочастотные микрополосковые линии передачи, а внутренние слои состоят из сердечников из FR-4.
Рисунок 4 – Поперечный разрез 12-слойной гибридной структуры, показывающий внешние слои Rogers RO4350B для радиочастотных сигналов.
4. Стратегии конфигурации уровней для 5G
4.1 Основные принципы построения структуры
Прежде чем углубляться в конкретные конфигурации слоев, следует отметить несколько фундаментальных принципов, определяющих все профессиональные проекты печатных плат 5G. Симметрия является наиболее важным производственным аспектом: структура слоев должна быть сбалансирована относительно центральной линии платы, чтобы предотвратить деформацию во время ламинирования и термических циклов. Это означает соответствие веса меди, толщины сердечника и количества препрега на противоположных сторонах центральной плоскости. Плата с избытком меди на одной стороне будет прогибаться, как картофельный чипс, после пайки оплавлением, что неприемлемо для прецизионных радиочастотных сборок.
Не менее важна и смежность с опорной плоскостью: каждый сигнальный слой должен иметь непрерывную заземляющую или силовую плоскость, непосредственно примыкающую к нему. Это обеспечивает обратный путь с низкой индуктивностью, необходимый для высокочастотных сигналов, одновременно экранируя сигнальный слой от помех.
Послойное сопряжение предполагает группировку сигнальных слоев по функциям и электрическим требованиям. Высокоскоростные дифференциальные пары должны прокладываться на одном слое, а согласование длины достигается за счет змеевидной трассировки, а не путем разделения пар между слоями. Сигнальные слои радиочастот обычно располагаются на внешних слоях, где их можно реализовать в виде микрополосковых линий передачи, обеспечивая легкий доступ для настройки и отладки.
4.2 8-слойная архитектура: отправная точка для проектирования 5G
Восьмислойная структура представляет собой минимальное практическое количество слоев для базовых приложений 5G, таких как устройства IoT, радиомодули малых сот или простые радиочастотные модули в диапазоне ниже 6 ГГц. Хотя она ограничена по сравнению с большим количеством слоев, хорошо спроектированная восьмислойная структура может эффективно поддерживать умеренно сложные конструкции при тщательной трассировке и размещении компонентов.
Рекомендуемая 8-слойная конфигурация:
∙ Уровень 1: Радиочастотный сигнал и критически важные высокоскоростные сигналы (микрополосковая линия, 50 Ом)
∙ Уровень 2: Заземляющая плоскость (основной путь возврата радиочастотного сигнала)
∙ Слой 3: Высокоскоростные цифровые сигналы (полосковая линия, дифференциальный выход 50 Ом или 100 Ом) ∙ Слой 4: Плоскость питания (+3.3 В, +1.8 В с разделением)
∙ Слой 5: Плоскость питания (зеркальное отображение: +3.3 В, +1.8 В разделены)
∙ Слой 6: Высокоскоростные цифровые сигналы (полосковая линия, ортогональная слою L3)
∙ Слой 7: Заземляющая плоскость (вторичный обратный путь)
∙ Уровень 8: Радиочастотный сигнал и критически важные высокоскоростные сигналы (микрополосковая линия, 50 Ом)
Такая конфигурация обеспечивает симметрию (L1-L2-L3-L4 зеркально отражает L8-L7-L6-L5), гарантирует наличие смежной опорной плоскости для каждого сигнального слоя и размещает силовые плоскости в центре, где их емкость наилучшим образом обеспечивает развязку. Типичные толщины диэлектрика могут быть следующими: L1-L2 = 6 мил (RO4350B для ВЧ), L2-L3 = 8 мил (сердечник), L3-L4 = 14 мил (препрег), L4-L5 = 20 мил (сердечник), симметрично зеркально отражены относительно L8.
4.3 12-слойная архитектура: передовые приложения 5G
Для сложных систем 5G, модулей базовых станций, массивных MIMO-антенных решеток или высококлассных смартфонов 12-слойная структура обеспечивает плотность маршрутизации и целостность сигнала, необходимые для достижения оптимальных результатов. Дополнительные слои позволяют
Полная изоляция радиочастотной, цифровой и силовой секций, а также наличие нескольких заземляющих плоскостей для превосходной защиты от излучения.
Оптимизированная 12-слойная конфигурация для миллиметровых волн:
∙ Слой 1: Слой радиочастотного сигнала A (питание антенны миллиметрового диапазона, микрополосковая линия 50 Ом) ∙ Слой 2: Заземляющая плоскость A (первичный радиочастотный обратный провод, медь 1 унция)
∙ Слой 3: Слой радиочастотного сигнала B (вторичные радиочастотные тракты, полосковая линия 50 Ом)
∙ Слой 4: Заземляющая плоскость B (ВЧ-изоляция и обратный ток, медь 1 унция)
∙ Слой 5: Силовая плоскость A (мощность ВЧ: питание усилителя мощности +5 В, медь 2 унции)
∙ Уровень 6: Высокоскоростная цифровая передача данных (SerDes, DDR, полосковая линия PCIe)
∙ Уровень 7: Высокоскоростная цифровая передача (ортогональная трассировка на уровень 6)
∙ Слой 8: Силовая плоскость B (Цифровое питание: +3.3 В, +1.8 В, +1.2 В, медь 2 унции) ∙ Слой 9: Заземляющая плоскость C (цифровой возврат и экранирование, медь 1 унция)
∙ Уровень 10: Низкоскоростные сигналы и маршрутизация (управление, I2C, SPI)
∙ Слой 11: Заземляющая плоскость D (финальный экранирующий слой, 1 унция меди)
∙ Слой 12: Сигнальный слой C (вторичный ВЧ-сигнал, размещение компонентов, микрополосковый резистор 50 Ом) Эта конфигурация SGSGPSSPGSGS обеспечивает исключительную производительность: четыре отдельные заземляющие плоскости создают множественные экранирующие барьеры, ВЧ-слои полностью изолированы от шума цифрового переключения, а трассировка ВЧ-сигнала на полосковых линиях на уровне L3 обеспечивает превосходную защиту чувствительных трактов. Структура сохраняет симметрию относительно центральной плоскости L6-L7.
Рисунок 5 – Детальное поперечное сечение 12-слойной печатной платы 5G с указанием толщины слоев, удельного веса меди и сигнальной/плоскостной области.
5. Методы заземления печатных плат 5G
5.1 Основы заземления для высокочастотных схем
На высоких частотах земля представляет собой не просто точку отсчета с нулевым напряжением, а сложную электромагнитную структуру, поведение которой определяет целостность сигнала. Основной принцип: высокочастотные обратные токи протекают непосредственно под соответствующими сигнальными проводниками, следуя по пути минимального импеданса. Этот путь зависит не от сопротивления постоянному току, а от индуктивности; обратные токи естественным образом концентрируются в области максимальной магнитной связи с сигнальным проводником.
Скин-эффект на миллиметровых частотах означает, что обратные токи протекают только в верхних нескольких сотнях нанометров поверхности заземляющей плоскости. Это делает качество обработки поверхности и потенциал окисления удивительно важными: потускневшая медь обладает более высоким сопротивлением радиочастотному излучению, чем блестящая медь. По этой причине многие разработчики указывают на заземляющих плоскостях в критически важных радиочастотных зонах покрытие ENIG (химическое никелирование с иммерсионным золочением), несмотря на небольшую дополнительную индуктивность, которую вносит никелевый слой.
5.2 Реализация твердотельной плоскости заземления
Непрерывная, сплошная заземляющая плоскость является важнейшей особенностью любой высокочастотной печатной платы. Представьте себе заземляющую плоскость как идеально гладкую поверхность озера, по которой протекают обратные токи; любое препятствие (пустота, щель, вырез) создает турбулентность, которая излучает энергию и отражает сигналы. Для приложений 5G целостность заземляющей плоскости является обязательным условием: каждая заземляющая плоскость должна простираться от края до края платы с минимальными прерываниями.
Когда разрывы заземляющей плоскости неизбежны, например, для разделения аналоговой и цифровой секций или для создания теплоотвода вокруг монтажных отверстий, можно использовать соединительные конденсаторы для заполнения зазора. Разместите конденсаторы емкостью 0.1 мкФ или меньше с интервалом 1-2 дюйма вдоль разрыва, обеспечивая короткое замыкание переменного тока на радиочастотах при сохранении изоляции по постоянному току. Никогда не прокладывайте высокоскоростные или радиочастотные сигналы через разрывы заземляющей плоскости; если трасса должна пересекать разрыв, проложите ее перпендикулярно, чтобы минимизировать площадь петли, и добавьте заземляющий переходной канал непосредственно рядом с точкой пересечения.
5.3 Методы сшивания и устройства наземных ограждений
Стратегическое размещение заземляющих переходных отверстий для соединения заземляющих плоскостей между слоями является одним из наиболее важных, но часто упускаемых из виду аспектов проектирования печатных плат 5G. На миллиметровых частотах индуктивность даже короткого заземляющего соединения становится значительной. Одно переходное отверстие диаметром 10 мил на плате толщиной 62 мил демонстрирует индуктивность примерно 0.7 нГн, что кажется незначительным, но на частоте 28 ГГц это представляет собой импеданс приблизительно 123 Ом, достаточный для серьезного ухудшения высокочастотных заземляющих соединений.
Решение заключается в параллельном расположении переходных отверстий. Использование четырех параллельных переходных отверстий уменьшает эффективную индуктивность примерно в 4 раза (с учетом эффектов взаимной индуктивности), приводя сопротивление соединения к более приемлемым уровням. Для критически важных ВЧ-компонентов разместите 3-4 заземляющих переходных отверстия непосредственно рядом с каждым заземляющим контактом, подключив их к ближайшему контакту.
Твердая заземляющая плоскость. Располагайте эти переходные отверстия как можно ближе к компоненту; индуктивность увеличивается с длиной переходного отверстия, поэтому короткие пути необходимы.
Рисунок 6 – Вид сверху на схему расположения переходных отверстий на печатной плате.
6. Контроль импеданса в сетях 5G
6.1 Основы управления импедансом
Контролируемое сопротивление является основой целостности высокоскоростных и радиочастотных сигналов. Когда источник сигнала, путь передачи и оконечный резистор имеют одинаковое характеристическое сопротивление, энергия полностью передается от источника к нагрузке без отражений. Несоответствие импедансов приводит к отражению части сигнала обратно к источнику, создавая стоячие волны, колебания и межсимвольные помехи, которые искажают цифровые сигналы и ухудшают характеристики радиочастотной системы.
Для приложений 5G однополярное сопротивление 50 Ом стало универсальным стандартом для радиочастотных и микроволновых цепей. Это значение стало результатом оптимизации соотношения между допустимой мощностью и потерями в коаксиальных кабелях, и вся радиочастотная экосистема — разъемы, измерительное оборудование и компоненты — ориентирована на системы с сопротивлением 50 Ом.
В цифровых интерфейсах для передачи данных обычно используется либо однополярное сопротивление 50 Ом (для однополярных сигналов, таких как тактовые сигналы), либо дифференциальное сопротивление 100 Ом (для дифференциальных пар, таких как MIPI, PCIe и USB).
6.2 Микрополосковая конфигурация для радиочастотных сигналов
Микрополосковая линия — это сигнальная дорожка на внешнем слое платы с заземляющей плоскостью на соседнем внутреннем слое, что представляет собой наиболее распространенную конфигурацию линии передачи для радиочастотных схем.
Характеристическое сопротивление микрополосковой линии зависит от ширины дорожки (W), высоты над плоскостью заземления (H), толщины медного слоя (T) и диэлектрической постоянной материала подложки (εr). В первом приближении более широкие дорожки и более толстый диэлектрик увеличивают импеданс, тогда как более высокие значения диэлектрической постоянной уменьшают импеданс.
Пример расчета микрополосковой линии: для достижения импеданса 50 Ом на диэлектрике Rogers RO4350B толщиной 5 мил (εr = 3.48) с 1 унцией меди требуется приблизительно 11 мил ширины дорожки. Для того же импеданса на диэлектрике толщиной 4 мил требуется ширина 8.5 мил, что демонстрирует чувствительность к толщине диэлектрика.
Рисунок 7 – Поперечный разрез геометрии микрополосковой линии передачи.
6.4 Дифференциальное сопротивление пары для высокоскоростных интерфейсов
Дифференциальная передача данных в виде разности напряжений между двумя комплементарными сигналами доминирует в современных высокоскоростных цифровых интерфейсах благодаря превосходной помехоустойчивости и снижению электромагнитных помех. Дифференциальное сопротивление (Zdiff) зависит как от однополярного импеданса каждой трассы (Z0), так и от связи между трассами. Для слабо связанных трасс Zdiff ≈ 2 × Z0. По мере сближения трасс связь увеличивается, снижая дифференциальное сопротивление ниже этого соотношения 2:1.
Для дифференциального импеданса 100 Ом (стандарт для большинства высокоскоростных цифровых интерфейсов) в типичных конструкциях используются однополярные дорожки с сопротивлением 50 Ом и связью, которая снижает дифференциальный импеданс до 100 Ом. В микрополосковых линиях с краевыми дорожками для достижения дифференциального импеданса 100 Ом обычно требуется расстояние между дорожками в 1.5-2 раза больше ширины дорожки. Меньшее расстояние увеличивает связь и дополнительно снижает дифференциальный импеданс; большее расстояние уменьшает связь и повышает дифференциальный импеданс.
| Слой | Функция | Тип | Вес меди | Толщина материала (мм) | Материал |
| L1 | Сигнал РФ | Микрополосковая линия 50 Ом | 0.5 унций | – | РО4350Б |
| L2 | земля | Самолет | 1 унций | 5 тысячу | Основные |
| L3 | Сигнал РФ | Полосковый кабель 50 Ом | 0.5 унций | 6 тысячу | Препрег |
| L4 | земля | Самолет | 1 унций | 8 тысячу | Основные |
| ... | симметричный | Зеркало | ... | ... | ... |
Таблица 2: Пример конфигурации 12-слойной архитектуры 5G (частичная), показывающий верхние слои.
7. Вопросы целостности сигнала
Целостность сигнала на печатных платах 5G включает в себя множество взаимосвязанных явлений, которые могут ухудшить производительность системы, если ими не управлять должным образом. Понимание механизмов ухудшения сигнала и методов проектирования многослойной структуры, позволяющих их смягчить, отличает функциональные решения от оптимальных.
7.1 Механизмы потерь на высоких частотах
Потери сигнала резко возрастают с частотой из-за множества физических эффектов. Диэлектрические потери возникают из-за молекулярной поляризации в материале подложки, поскольку электрическое поле колеблется на радиочастотах; диполи в материале стремятся выровняться с полем, рассеивая энергию в виде тепла. Эти потери напрямую коррелируют с коэффициентом диссипации: удвоение Df примерно удваивает потери. На частоте 28 ГГц в стандартном материале FR-4 (Df ≈ 0.020) диэлектрические потери могут превышать 1.5 дБ на дюйм, в то время как в материале Rogers RO3003 (Df ≈ 0.001) потери составляют менее 0.3 дБ на дюйм при идентичных условиях. Потери в проводнике увеличиваются пропорционально квадратному корню из частоты из-за скин-эффекта: высокочастотные токи концентрируются вблизи поверхностей проводника, увеличивая эффективное сопротивление.
7.2 Проектирование сквозных каналов для миллиметровых волн.
Неиспользуемая часть сквозного отверстия, выступающая за пределы слоя, через который выходит сигнал, образует резонансные структуры, отражающие сигналы на определенных частотах. Эта часть действует как короткозамкнутая линия передачи, резонанс которой, составляющий четверть длины волны, вызывает максимальное отражение. На частоте 28 ГГц при толщине платы 50 мил даже часть длиной 15 мил может создавать проблемные резонансы. В качестве решений можно использовать сверление обратной стороны для удаления таких частей или использовать глухие/заглубленные переходные отверстия, которые заканчиваются точно на сигнальном слое.
Рисунок 9 – Отверстия в печатной плате с обратной стороны.
Заключение
Для успешной разработки многослойной структуры печатных плат 5G необходимы знания в различных областях, таких как материаловедение, электромагнитная теория, производственные процессы и теплоотвод. Представленные в этой статье рекомендации, начиная от выбора материалов и заканчивая стратегиями заземления и контролем импеданса, обеспечивают всестороннюю основу для создания высокопроизводительных печатных плат.
Разработка высокопроизводительных сетей 5G.
К основным результатам относятся:
1. Выбор материала определяет характеристики и стоимость: при необходимости используйте высокочастотные ламинаты, в остальных случаях — FR-4.
2. Симметричные многослойные структуры с надлежащими опорными плоскостями являются обязательными. 3. Целостность заземляющей плоскости и соединение переходных отверстий определяют целостность сигнала в миллиметровом диапазоне волн.
4. Для контроля импеданса требуется точный контроль толщины диэлектрика и проверка с помощью решателя поля.
5. Своевременное сотрудничество с производителем печатных плат позволяет избежать дорогостоящих переделок.
По мере дальнейшего развития технологии 5G в сторону более высоких частот и большей сложности, описанные здесь шаги и методы останутся основополагающими. Независимо от того, разрабатываете ли вы свой первый продукт 5G или оптимизируете существующую платформу, инвестиции в оптимизацию стека технологий окупаются с точки зрения производительности системы, выхода годной продукции и времени выхода на рынок.
