1. Úvod
1.1 Revolúcia 5G a výzvy týkajúce sa dosiek plošných spojov
Globálne zavedenie bezdrôtovej technológie 5G predstavuje najvýznamnejšiu transformáciu v telekomunikačnej infraštruktúre od príchodu 4G LTE. Prevádzka prebieha v dvoch odlišných frekvenčných pásmach pod 6 GHz pre široké pokrytie a v milimetrových vlnových (mmWave) frekvenciách od 24 do 77 GHz pre ultravysoké...
Rýchlosť prenosu dát Siete 5G vyžadujú bezprecedentnú presnosť pri návrhu dosiek plošných spojov (PCB). Na rozdiel od konvenčných aplikácií dosiek plošných spojov musia systémy 5G zvládať signálové frekvencie, kde aj mikroskopické konštrukčné chyby môžu spôsobiť katastrofické zníženie výkonu.
Podľa analýzy odvetvia sa predpokladá, že globálny trh s infraštruktúrou 5G do roku 2027 prekročí 47.7 miliardy dolárov, čo povedie k masívnemu dopytu po vysokovýkonných riešeniach pre dosky plošných spojov. Tento rast vytvára príležitosti aj výzvy pre návrhárov dosiek plošných spojov, ktorí musia zvládnuť zložitý vzťah medzi vlastnosťami materiálu, konfiguráciou vrstiev a správaním signálu na rádiových frekvenciách. Prechod zo 4G na 5G nie je len postupným vylepšením, vyžaduje si zásadné prehodnotenie architektúry skladania dosiek plošných spojov.
Obrázok 1 – frekvenčné spektrum so zvýraznenými pásmami sub-6 GHz a mmWave
1.2 Kľúčová úloha návrhu stack-upu vo výkone 5G
Doska plošných spojov (PCB) – starostlivo zosúladené usporiadanie medených vrstiev, dielektrických materiálov a jadrových substrátov – slúži ako základ, od ktorého závisí integrita všetkého 5G signálu. Pri milimetrových vlnových frekvenciách sa elektromagnetická energia správa podľa princípov, ktoré sa konštruktérom zvyknutým na aplikácie s nižšími frekvenciami zdajú takmer neintuitívne. Vlnové dĺžky signálu sa zmenšujú na milimetrovú úroveň, čím sa...
Funkcie ako prerušenia via a diskontinuity stôp, ktoré boli pri 1 GHz nevýznamné, sa pri 28 GHz stávajú hlavnými zdrojmi odrazov a strát signálu.
Správne navrhnutá zostava 5G PCB musí súčasne spĺňať viacero protichodných požiadaviek: riadenú impedanciu na zabránenie odrazom signálu, nízke vložené straty na zachovanie sily signálu, účinné tienenie elektromagnetického rušenia (EMI) na zabránenie presluchu medzi obvodmi a robustný tepelný manažment na odvádzanie tepla z výkonných RF zosilňovačov. Konfigurácia zostavy priamo ovplyvňuje každý z týchto parametrov, čo z nej robí najdôležitejšie rozhodnutie v celom procese návrhu 5G PCB.
2. Pochopenie požiadaviek na dosky plošných spojov 5G
2.1 Frekvenčné spektrum a charakteristiky signálu 5G
Pásma pod 6 GHz: Základ pre široké pokrytie
Spektrum pod 6 GHz, zahŕňajúce frekvencie od 600 MHz do 6 GHz, predstavuje chrbticu pokrytia 5G. Tieto nižšie frekvencie poskytujú charakteristiky šírenia potrebné pre nasadenie rozsiahlych sietí, ktoré ponúkajú lepšiu penetráciu v budovách a dlhší dosah v porovnaní s mmWave. Z hľadiska návrhu dosiek plošných spojov predstavujú signály pod 6 GHz mierne výzvy – náročnejšie ako 4G LTE, ale menej extrémne ako aplikácie mmWave.
mmVlnné pásma (24 – 77 GHz): Extrémne požiadavky na presnosť Milimetrové vlny 5G, pracujúce predovšetkým v pásmach 24 GHz, 28 GHz, 39 GHz a 77 GHz, posúvajú technológiu DPS na jej hranice. Pri 28 GHz meria vlnová dĺžka v typickom lamináte Rogers RO4350B (Dk = 3.48) iba 5.7 mm. To znamená, že štvrťvlnový výbežok s kritickou rezonančnou dĺžkou sa rozprestiera iba na 1.4 mm. Tradičné pokovované priechodky, ktoré bežne zanechávajú 2-3 mm výbežky, sa stávajú významnými parazitickými rezonátormi, ktoré môžu úplne zničiť integritu signálu.
Obrázok 2 – Podrobné porovnanie vlnových dĺžok zobrazujúce fyzikálne rozmery
2.2 Kľúčové elektrické parametre pre 5G stack-upy
Výkon dosiek plošných spojov 5G ovplyvňuje niekoľko elektrických parametrov, pričom každý z nich si vyžaduje starostlivé zváženie počas návrhu sústavy. Dielektrická konštanta (Dk alebo εr) určuje rýchlosť šírenia signálu a riadené hodnoty impedancie. Pre aplikácie 5G je prvoradá stabilita Dk v rámci frekvencie aj teploty. Materiál, ktorého Dk sa mení o 5 % v závislosti od teploty, spôsobí zmeny impedancie, ktoré generujú odrazy a zhoršujú integritu signálu v presných RF obvodoch.
Disipačný faktor (Df), nazývaný aj tangens straty (tan δ), kvantifikuje dielektrické straty. Štandardný FR-4 vykazuje hodnoty Df 0.015 – 0.020 pri 10 GHz, zatiaľ čo vysokovýkonné materiály ako Rogers RO3003 dosahujú pri rovnakej frekvencii hodnotu 0.0010, čo je 15 – 20-násobné zlepšenie.
Tolerancie regulácie impedancie sa pre 5G aplikácie dramaticky sprísňujú. Zatiaľ čo tolerancia impedancie ±10 % môže pre mnohé aplikácie postačovať, 5G RF obvody zvyčajne vyžadujú reguláciu ±5 % alebo presnejšiu.
| Materiál | dielektrikum Konštanta (Dk) | stratový činiteľ (Df) | Najlepšia aplikácia |
| Štandard FR-4 | 4.2 – 4.5 pri 1 GHz | 0.015-0.020 | Digitálny, pod 6 GHz, nekritický |
| Rogers RO4350B | 3.48 @ 10 GHz | 0.0037 | VF pod 6 GHz, cenovo výhodné mmvlny |
| Rogers RO3003 | 3.00 @ 10 GHz | 0.0010 | Vysokovýkonné mmWave základňové stanice |
| RT/duroid 5880 | 2.20 @ 10 GHz | 0.0009 | Fázované anténne sústavy s ultranízkymi stratami >20 GHz |
Tabuľka 1: Porovnanie vysokofrekvenčných laminátových materiálov pre aplikácie 5G PCB
2.3 Fyzikálne a tepelné požiadavky
Dosky plošných spojov 5G zvyčajne vyžadujú 10 – 16 medených vrstiev, aby vyhoveli požiadavkám na husté smerovanie moderných RF vysielačov a prijímačov, základných procesorov, obvodov riadenia napájania a súvisiacich digitálnych rozhraní. Technológia prepojení s vysokou hustotou (HDI) s mikrootvormi s priemerom už od 0.1 mm, slepými a zapustenými otvormi a smerovaním v akejkoľvek vrstve sa stáva nevyhnutnou pre dosiahnutie hustoty súčiastok, ktorú vyžaduje integrácia systému 5G, a zároveň zachovanie signálových ciest s kontrolovanou impedanciou.
Tepelný manažment predstavuje v 5G dizajne značné výzvy. Výkonové zosilňovače v základňových staniciach môžu rozptýliť 50 – 100 wattov, čím vytvárajú lokálne horúce miesta, ktoré počas prevádzky dosahujú 85 – 100 °C. Substrát dosky plošných spojov musí mať dostatočnú tepelnú vodivosť (≥1.5 W/m·K), aby sa toto teplo rozložilo po celej ploche dosky a prenieslo do chladičov alebo systémov tepelného manažmentu. Odolnosť voči vysokým teplotám, meraná ako relatívny tepelný index (RTI) ≥150 °C, zaisťuje stabilitu materiálu za trvalých prevádzkových podmienok.
Výrobné tolerancie sa pre 5G dosky plošných spojov značne sprísňujú. Presnosť registrácie – presnosť zarovnania medzi medenými vrstvami musí dosiahnuť ±75 μm (±3 mil) alebo lepšiu pre aplikácie mmWave v porovnaní s ±150 μm pre konvenčné konštrukcie.
3. Výber materiálu pre 5G stohy
3.1 Vysokofrekvenčné laminátové materiály
Rogers Materials: Priemyselný štandard pre RF výkon
Vysokofrekvenčné lamináty od spoločnosti Rogers Corporation sa stali de facto štandardom pre aplikácie 5G PCB a ponúkajú starostlivo navrhnuté dielektrické vlastnosti, ktoré zostávajú stabilné v širokom frekvenčnom a teplotnom rozsahu. Séria RO4000, najmä RO4350B, dosahuje vynikajúcu rovnováhu medzi RF výkonom a vyrobiteľnosťou. S dielektrickou konštantou 3.48 ± 0.05 a disipačným faktorom 0.0037 pri 10 GHz poskytuje RO4350B predvídateľné riadenie impedancie pri využití štandardných techník spracovania FR-4, ktoré nevyžadujú žiadne špeciálne úpravy prechodov ani modifikované parametre vŕtania.
Pre aplikácie vyžadujúce ešte nižšie straty poskytuje séria RO3000 výnimočný výkon. RO3003 s keramickou plnenou konštrukciou PTFE dosahuje vlastnosti Df 0.0010 a Dk 3.00, ktoré zostávajú pozoruhodne konzistentné od 10 MHz do 40 GHz. Tento materiál vyniká v konštrukciách výkonových zosilňovačov základňových staníc a iných aplikáciách, kde každá desatina dB vložených strát ovplyvňuje výkon systému. Nevýhodou sú vyššie náklady na materiál (zvyčajne 3-5x RO4350B) a náročnejšie výrobné požiadavky.
Obrázok 3 – Prierez laminátovej konštrukcie Rogers RO4350B zobrazujúci medenú fóliu, živicový systém a sklenenú výstuž
3.2 FR-4 v 5G aplikáciách: Pochopenie obmedzení
Štandard FR-4 zostáva použiteľný pre špecifické časti 5G návrhov, najmä pre sekcie digitálneho spracovania signálu, distribučné siete a aplikácie pod 6 GHz, kde sú požiadavky na RF výkon menej prísne. Moderný vysokokvalitný FR-4 od výrobcov ako Shengyi, Panasonic a ITEQ dokáže dosiahnuť hodnoty Df 0.012 – 0.015 pri 5 GHz pri použití vhodných živicových systémov a sklenených výstuží.
prijateľné pre mnohé signálové cesty pod 6 GHz.
Obmedzenia materiálu FR-4 sa však prejavujú pri vyšších frekvenciách. Dk materiálu sa zvyčajne mení o ±10 % v celom rozsahu prevádzkových teplôt (-40 °C až +85 °C) v porovnaní s ±2 % pre vysokofrekvenčné lamináty. Táto zmena sa premieta do fluktuácií impedancie, ktoré môžu spôsobiť bitové chyby vyvolané odrazmi vo vysokorýchlostných digitálnych rozhraniach a znížiť výkon RF systému. Okrem toho, sklenená výstuž materiálu FR-4 vytvára lokalizované variácie v efektívnom Dk – „efekt väzby vlákien“, ktorý sa stáva problematickým pre stopy prebiehajúce v šikmých uhloch k vzoru sklenených vlákien.
3.3 Hybridné stratégie stack-upu: Optimalizácia výkonu a nákladov
Hybridné zostavy kombinujúce vysokofrekvenčné lamináty s FR-4 ponúkajú vynikajúci prístup k vyváženiu výkonu a nákladov v komplexných 5G návrhoch. Stratégia jadra umiestňuje drahé materiály s nízkymi stratami iba tam, kde sa prenášajú RF signály, zatiaľ čo ekonomický FR-4 sa používa pre vnútorné vrstvy prenášajúce digitálne signály, distribúciu energie a mechanickú podporu. Typický hybridný zostavovací systém by mohol použiť Rogers RO4350B pre vonkajšie dve vrstvy (L1 a L12 v 12-vrstvovom návrhu), kde sa nachádzajú RF mikropáskové prenosové vedenia, pričom vnútorné vrstvy tvoria jadrá FR-4.
Obrázok 4 – Prierezový diagram 12-vrstvového hybridného zoskupenia zobrazujúci vonkajšie vrstvy Rogers RO4350B pre RF signály
4. Stratégie konfigurácie vrstiev pre 5G
4.1 Základné princípy stack-upu
Predtým, ako sa ponoríme do konkrétnych konfigurácií vrstiev, je potrebné zvážiť niekoľko základných princípov, ktorými sa riadia všetky profesionálne návrhy stohovania 5G PCB. Symetria sa radí medzi najdôležitejšie výrobné hľadisko: stohovanie musí byť vyvážené okolo stredovej čiary dosky, aby sa zabránilo deformácii počas laminácie a tepelných cyklov. To znamená zodpovedajúcu hmotnosť medi, hrúbku jadra a počet prepregov na opačných stranách stredovej roviny. Doska, ktorá je na jednej strane bohatá na meď, sa po spájkovaní pretavením ohne ako zemiakový lupienok, čo je neprijateľný výsledok pre presné RF zostavy.
Susedstvo s referenčnou rovinou je rovnako dôležité: každá signálna vrstva by mala mať bezprostredne vedľa seba neprerušenú uzemňovaciu alebo napájaciu rovinu. To zabezpečuje spätnú cestu s nízkou indukčnosťou, ktorú vyžadujú vysokofrekvenčné signály, a zároveň tieni signálnu vrstvu pred rušením.
Párovanie vrstiev zahŕňa zoskupovanie signálových vrstiev podľa funkcie a elektrických požiadaviek. Vysokorýchlostné diferenciálne páry by mali byť smerované na rovnakej vrstve, pričom zhoda dĺžky by sa mala dosiahnuť serpentínovým smerovaním, a nie rozdelením párov medzi vrstvami. Vrstvy rádiofrekvenčných signálov zvyčajne zaberajú vonkajšie vrstvy, kde ich možno implementovať ako mikropáskové prenosové vedenia, čo poskytuje jednoduchý prístup pre ladenie a ladenie.
4.2 8-vrstvové stohovanie: Vstupný bod pre 5G návrhy
8-vrstvová štruktúra predstavuje minimálny praktický počet vrstiev pre základné 5G aplikácie, ako sú zariadenia IoT, malé bunkové rádiá alebo jednoduché RF moduly s frekvenciou pod 6 GHz. Hoci je v porovnaní s vyšším počtom vrstiev obmedzená, dobre navrhnutá 8-vrstvová štruktúra môže efektívne podporovať mierne zložité návrhy s dôkladnou disciplínou smerovania a umiestnením komponentov.
Odporúčaná 8-vrstvová konfigurácia:
∙ Vrstva 1: RF signál a kritická vysoká rýchlosť (mikropáskový, 50Ω)
∙ Vrstva 2: Uzemňovacia rovina (primárna spätná cesta RF)
∙ Vrstva 3: Vysokorýchlostné digitálne signály (páskové vedenie, diferenciál 50 Ω alebo 100 Ω) ∙ Vrstva 4: Napájacia rovina (+3.3 V, +1.8 V rozdelené)
∙ Vrstva 5: Napájacia rovina (zrkadlená: +3.3 V, +1.8 V rozdelená)
∙ Vrstva 6: Vysokorýchlostné digitálne signály (páskové vedenie, ortogonálne na L3)
∙ Vrstva 7: Uzemňovacia rovina (sekundárna spätná cesta)
∙ Vrstva 8: RF signál a kritická vysoká rýchlosť (mikropáskový, 50Ω)
Táto konfigurácia zabezpečuje symetriu (L1-L2-L3-L4 zrkadlovo kopíruje L8-L7-L6-L5), zaisťuje, že každá signálna vrstva má susednú referenčnú rovinu a umiestňuje výkonové roviny do stredu, kde ich kapacita najlepšie slúži na oddelenie. Typické dielektrické hrúbky môžu byť: L1-L2 = 6 mil (RO4350B pre RF), L2-L3 = 8 mil (jadro), L3-L4 = 14 mil (prepreg), L4-L5 = 20 mil (jadro), zrkadlovo symetricky vzhľadom na L8.
4.3 12-vrstvové stohovanie: Pokročilé 5G aplikácie
Pre sofistikované moduly základňových staníc 5G systémov, masívne anténne sústavy MIMO alebo špičkové smartfóny poskytuje 12-vrstvové skladanie hustotu smerovania a integritu signálu potrebnú pre optimálne výsledky. Ďalšie vrstvy umožňujú...
úplná izolácia RF, digitálnych a výkonových častí a zároveň viacero uzemňovacích rovín pre lepšie tienenie.
Optimalizovaná 12-vrstvová konfigurácia pre mmWave:
∙ Vrstva 1: Vrstva RF signálu A (mmWave anténne napájacie vodiče, mikropáskový vodič 50Ω) ∙ Vrstva 2: Uzemňovacia rovina A (primárny RF návrat, 1 g Cu)
∙ Vrstva 3: VF signálová vrstva B (sekundárne VF cesty, páskové vedenie 50Ω)
∙ Vrstva 4: Uzemňovacia rovina B (izolácia a návrat RF, 1 g Cu)
∙ Vrstva 5: Napájacia rovina A (RF napájanie: +5V PA napájanie, 2 ml Cu)
∙ Vrstva 6: Vysokorýchlostné digitálne (SerDes, DDR, PCIe stripline)
∙ Vrstva 7: Vysokorýchlostný digitálny signál (ortogonálne smerovanie do L6)
∙ Vrstva 8: Napájacia rovina B (Digitálne napájanie: +3.3 V, +1.8 V, +1.2 V delené, 2 ml Cu) ∙ Vrstva 9: Uzemňovacia rovina C (digitálny návrat a tienenie, 1 ml Cu)
∙ Vrstva 10: Nízkorychlostné signály a smerovanie (riadenie, I2C, SPI)
∙ Vrstva 11: Uzemňovacia rovina D (konečná tieniaca vrstva, 1 g Cu)
∙ Vrstva 12: Vrstva C RF signálu (sekundárna RF, umiestnenie súčiastok, mikropáskový vodič 50Ω) Táto konfigurácia SGSGPSSPGSGS poskytuje výnimočný výkon: štyri samostatné uzemňovacie roviny vytvárajú viacero tieniacich bariér, RF vrstvy sú úplne izolované od šumu digitálneho prepínania a páskové RF smerovanie na L3 ponúka vynikajúce tienenie pre citlivé cesty. Stohovanie zachováva symetriu okolo stredovej roviny L6-L7.
Obrázok 5 – Detailný prierez 12-vrstvového 5G PCB so znázornením hrúbky vrstiev, hmotnosti medi a signálu/roviny
5. Techniky uzemnenia pre 5G dosky plošných spojov
5.1 Základy uzemnenia pre vysokofrekvenčné systémy
Pri vysokých frekvenciách nie je zem len referenčným bodom s nulovým napätím, ale skôr komplexnou elektromagnetickou štruktúrou, ktorej správanie dominuje integrite signálu. Základný princíp: vysokofrekvenčné spätné prúdy tečú priamo pod svojimi pridruženými signálovými stopami a sledujú dráhu minimálnej impedancie. Táto dráha nezávisí od jednosmerného odporu, ale od indukčnosti. Spätné prúdy sa prirodzene koncentrujú v oblasti maximálnej väzby magnetického poľa so signálovým vodičom.
Skin efekt pri milimetrových vlnových frekvenciách znamená, že spätné prúdy tečú iba v horných niekoľkých stovkách nanometroch povrchu uzemňovacej roviny. Vďaka tomu je povrchová úprava a oxidačný potenciál prekvapivo dôležitý. Zašpinená meď vykazuje vyššiu odolnosť voči rádiovým frekvenciam ako lesklá meď. Z tohto dôvodu mnoho konštruktérov špecifikuje povrchovú úpravu ENIG (bezprúdové nikelovanie ponorením do zlata) na uzemňovacích rovinách v kritických rádiofrekvenčných oblastiach, a to aj napriek miernej dodatočnej indukčnosti, ktorú niklová vrstva prináša.
5.2 Implementácia pevnej základnej roviny
Súvislá, neprerušená uzemňovacia rovina predstavuje najdôležitejšiu vlastnosť akejkoľvek vysokofrekvenčnej dosky plošných spojov. Predstavte si uzemňovaciu rovinu ako dokonale hladký povrch pre odtok spätných prúdov. Akákoľvek prekážka (medzera, štrbina, výrez) vytvára turbulencie, ktoré vyžarujú energiu a odrážajú signály. Pre aplikácie 5G je integrita uzemňovacej roviny nevyhnutná: každá uzemňovacia rovina by sa mala rozprestierať od okraja k okraju dosky s minimálnymi prerušeniami.
Keď sa rozdelenie uzemňovacej roviny stane nevyhnutným, napríklad na oddelenie analógových a digitálnych častí alebo na vytvorenie tepelného odľahčenia okolo montážnych otvorov, použite na premostenie medzery spájacie kondenzátory. Umiestnite kondenzátory s kapacitou 0.1 μF alebo menšie v intervaloch 1 až 2 cm pozdĺž delenia, čím vytvoríte skrat pre striedavý prúd pri vysokofrekvenčných frekvenciách a zároveň zachováte izoláciu pre jednosmerný prúd. Nikdy nesmerujte vysokorýchlostné alebo vysokofrekvenčné signály cez delenia uzemňovacej roviny; ak musí trasa prechádzať cez delenie, veďte ju kolmo, aby ste minimalizovali plochu slučky, a bezprostredne vedľa bodu kríženia pridajte uzemňovací vodič.
5.3 Techniky šitia a oplotenia zeme
Strategické umiestnenie uzemňovacích priechodiek na prepojenie uzemňovacích rovín medzi vrstvami patrí medzi najdôležitejšie, ale často prehliadané aspekty návrhu 5G PCB. Pri milimetrových vlnových frekvenciách sa indukčnosť aj krátkeho uzemňovacieho pripojenia stáva významnou. Jedna priechodka s priemerom 10 mil cez dosku s hrúbkou 62 mil vykazuje indukčnosť približne 0.7 nH, čo sa zdá byť zanedbateľné, ale pri 28 GHz to predstavuje impedanciu približne 123 ohmov, čo stačí na vážne zhoršenie vysokofrekvenčných uzemňovacích spojení.
Riešenie spočíva v paralelnom zapojení polí prepojok. Použitie štyroch prepojok paralelne znižuje efektívnu indukčnosť približne 4-krát (s prihliadnutím na vzájomné indukčné efekty), čím sa impedancia pripojenia dostane na prijateľnejšiu úroveň. Pre kritické RF komponenty umiestnite 3 – 4 uzemňovacie prepojky bezprostredne vedľa každého uzemňovacieho kolíka a pripojte ich k najbližšiemu...
pevná uzemňovacia rovina. Tieto prechody umiestnite čo najbližšie k súčiastke, indukčnosť sa zvyšuje s dĺžkou prechodov, takže krátke dráhy sú nevyhnutné.
Obrázok 6 – Pohľad zhora na rozloženie dosky plošných spojov zobrazujúci vzor prešívania okolo
6. Riadenie impedancie v 5G zostavách
6.1 Základy riadenej impedancie
Riadená impedancia predstavuje základ pre vysokorýchlostný prenos a integritu rádiofrekvenčného signálu. Keď zdroj signálu, prenosová cesta a zakončenie vykazujú rovnakú charakteristickú impedanciu, energia sa úplne prenesie zo zdroja do záťaže bez odrazov. Nesúlad impedancie spôsobuje, že časti signálu sa odrážajú späť smerom k zdroju, čím vznikajú stojaté vlny, zvonenie a interferencia medzi symbolmi, ktoré poškodzujú digitálne signály a znižujú výkon rádiofrekvenčného systému.
Pre 5G aplikácie sa 50-ohmová jednostranná impedancia stala univerzálnym štandardom pre RF a mikrovlnné obvody. Táto hodnota vznikla optimalizáciou medzi výkonom a stratami v koaxiálnych kábloch a celý ekosystém RF konektorov, testovacích zariadení a komponentov predpokladá 50-ohmové systémy.
Digitálne rozhrania s vysokou rýchlosťou zvyčajne používajú buď 50-ohmovú jednostrannú impedanciu (pre jednostranné signály, ako sú hodiny), alebo 100-ohmovú diferenciálnu impedanciu (pre diferenciálne páry, ako sú MIPI, PCIe a USB).
6.2 Konfigurácia mikropáskového vedenia pre RF signály
Mikropáskový vodič - signálna stopa na vonkajšej vrstve dosky so zemnou rovinou na susednej vnútornej vrstve - predstavuje najbežnejšiu konfiguráciu prenosového vedenia pre RF obvody.
Charakteristická impedancia mikropáskového vodiča závisí od šírky stopy (W), výšky nad základnou rovinou (H), hrúbky medi (T) a dielektrickej konštanty materiálu substrátu (εr). Pri aproximácii prvého rádu širšie stopy a hrubšie dielektriká zvyšujú impedanciu, zatiaľ čo vyššie dielektrické konštanty impedanciu znižujú.
Príklad výpočtu mikropáskového vodiča: dosiahnutie odporu 50 Ω na 5 mil hrubom Rogers RO4350B (εr = 3.48) s 1 oz medi vyžaduje šírku stopy približne 11 mil. Rovnaká impedancia na dielektriku s hrúbkou 4 mil vyžaduje šírku 8.5 mil, čo demonštruje citlivosť na hrúbku dielektrika.
Obrázok 7 – Schéma prierezu geometrie mikropáskového prenosového vedenia
6.4 Diferenciálna párová impedancia pre vysokorýchlostné rozhrania
Diferenciálna signalizácia prenášajúca dáta ako rozdiel napätia medzi dvoma komplementárnymi signálmi dominuje moderným vysokorýchlostným digitálnym rozhraniam vďaka vynikajúcej odolnosti voči šumu a zníženému elektromagnetickému rušeniu. Diferenciálna impedancia (Zdiff) závisí od impedancie jedného konca každej stopy (Z0) aj od väzby medzi stopami. Pre voľne prepojené stopy je Zdiff ≈ 2 × Z0. Ako sa stopy približujú k sebe, väzba sa zvyšuje, čím sa diferenciálna impedancia znižuje pod tento pomer 2:1.
Pre diferenciálnu impedanciu 100 ohmov (štandard pre väčšinu vysokorýchlostných digitálnych rozhraní) sa typické návrhy používajú 50 ohmové jednostranné vodiče s väzbou, ktorá znižuje diferenciálnu impedanciu na 100 ohmov. V mikropáskových vodičoch s vodivými vodičmi prepojenými na hranách si dosiahnutie diferenciálneho odporu 100 ohmov zvyčajne vyžaduje rozstup vodičov 1.5 – 2 × šírka vodiča. Menší rozstup zvyšuje väzbu a ďalej znižuje diferenciálnu impedanciu; väčší rozstup znižuje väzbu a zvyšuje diferenciálnu impedanciu.
| vrstva | Funkcie | Typ | Hmotnosť Cu | Hrúbka | Materiál |
| L1 | RF signálu | Mikropáskový 50Ω | 0.5 oz | - | RO4350B |
| L2 | prízemný | Rovina | 1 oz | 5 1000 | Jadro |
| L3 | RF signálu | Páskové vedenie 50Ω | 0.5 oz | 6 1000 | prepreg |
| L4 | prízemný | Rovina | 1 oz | 8 1000 | Jadro |
| ... | symetrický | zrkadlo | ... | ... | ... |
Tabuľka 2: Príklad 12-vrstvovej konfigurácie 5G stohovania (čiastočnej) zobrazujúcej vrchné vrstvy
7. Úvahy o integrite signálu
Integrita signálu v 5G PCB zahŕňa viacero vzájomne prepojených javov, ktoré môžu znížiť výkon systému, ak nie sú správne riadené. Pochopenie mechanizmov degradácie signálu a techník návrhu vrstvených prvkov, ktoré ich zmierňujú, odlišuje funkčné návrhy od optimálnych.
7.1 Mechanizmy strát pri vysokých frekvenciách
Strata signálu dramaticky rastie s frekvenciou v dôsledku viacerých fyzikálnych efektov. Dielektrické straty vznikajú v dôsledku molekulárnej polarizácie v substrátovom materiáli, keď elektrické pole osciluje na RF frekvenciách, dipóly v materiáli sa snažia zarovnať s poľom a rozptyľujú energiu ako teplo. Táto strata priamo koreluje s disipačným faktorom: zdvojnásobenie Df približne zdvojnásobuje straty. Pri 28 GHz v štandardnom FR-4 (Df ≈ 0.020) môžu dielektrické straty prekročiť 1.5 dB na palec, zatiaľ čo Rogers RO3003 (Df ≈ 0.001) dosahuje straty pod 0.3 dB na palec za rovnakých podmienok. Straty vo vodiči sa zvyšujú s druhou odmocninou frekvencie v dôsledku povrchového efektu – vysokofrekvenčné prúdy sa koncentrujú v blízkosti povrchov vodičov, čím sa zvyšuje efektívny odpor.
7.2 Návrh prechodových otvorov pre aplikácie mmWave
Pahýle prechodov – nevyužitá časť priechodného otvoru, ktorá presahuje vrstvu, z ktorej vychádza signál, vytvára rezonančné štruktúry, ktoré odrážajú signály na špecifických frekvenciách. Pahýľ funguje ako skratované prenosové vedenie, ktorého rezonancia v štvrťvlnnej dĺžke spôsobuje maximálny odraz. Pri frekvencii 28 GHz s hrúbkou dosky 50 mil môže aj pahýľ s hrúbkou 15 mil vytvárať problematické rezonancie. Riešenia zahŕňajú spätné vŕtanie na odstránenie pahýľov alebo použitie slepých/zakopaných prechodov, ktoré končia presne na signálovej vrstve.
Obrázok 9 – Vŕtaný priechod dosky plošných spojov
Záver
Úspešný návrh 5G PCB si vyžaduje odborné znalosti z viacerých disciplín, t. j. materiálovej vedy, elektromagnetickej teórie, výrobných procesov a tepelného manažmentu. Pokyny uvedené v tomto článku, od výberu materiálu cez stratégie uzemnenia až po riadenie impedancie, poskytujú komplexný rámec pre vytváranie vysokovýkonných...
výkonné 5G návrhy.
Medzi hlavné výsledky patria:
1. Výber materiálu ovplyvňuje výkon a náklady, v prípade potreby použite vysokofrekvenčné lamináty, inde FR-4.
2. Symetrické zostavy so správnymi referenčnými rovinami sú nepodmienené. 3. Integrita uzemňovacej roviny a spájanie prepojení určujú integritu signálu na milimetrovej vlne.
4. Riadenie impedancie vyžaduje presné riadenie hrúbky dielektrika a overenie riešiča poľa.
5. Včasná spolupráca s výrobcom plošných spojov zabraňuje nákladným opätovným inštaláciám.
Keďže sa technológia 5G neustále vyvíja smerom k vyšším frekvenciám a väčšej komplexnosti, kroky a metódy uvedené v tomto dokumente zostanú základnými. Či už navrhujete svoj prvý 5G produkt alebo optimalizujete existujúcu platformu, investovanie času do optimalizácie stack-upu sa vypláca v podobe výkonu systému, výrobnej výťažnosti a času uvedenia na trh.
