1. Predstavitev
1.1 Revolucija 5G in izzivi tiskanih vezij
Globalna uvedba brezžične tehnologije 5G predstavlja najpomembnejšo preobrazbo v telekomunikacijski infrastrukturi od pojava 4G LTE. Deluje v dveh različnih frekvenčnih pasovih, pod 6 GHz za široko pokritost, in v milimetrskih valovnih (mmWave) frekvencah od 24 do 77 GHz za ultra visoke frekvence.
Hitri prenos podatkov Omrežja 5G zahtevajo izjemno natančnost pri načrtovanju tiskanih vezij (PCB). Za razliko od običajnih aplikacij na tiskanih vezjih morajo sistemi 5G obvladovati signalne frekvence, kjer lahko že mikroskopske napake v zasnovi povzročijo katastrofalno zmanjšanje zmogljivosti.
Glede na analizo industrije naj bi svetovni trg infrastrukture 5G do leta 2027 presegel 47.7 milijarde dolarjev, kar bo povzročilo ogromno povpraševanje po visokozmogljivih rešitvah za tiskana vezja. Ta rast ustvarja tako priložnosti kot izzive za oblikovalce tiskanih vezij, ki morajo obvladati zapleten odnos med lastnostmi materialov, konfiguracijo plasti in obnašanjem signalov na radijskih frekvencah. Prehod s 4G na 5G ni zgolj postopna nadgradnja, temveč zahteva temeljito premislek o arhitekturi zlaganja tiskanih vezij.
Slika 1 – frekvenčni spekter z označenimi valovnimi pasovi pod 6 GHz in mmWave
1.2 Ključna vloga zasnove zlaganja v zmogljivosti 5G
Skladanje tiskanih vezij, skrbno orkestrirana razporeditev bakrenih plasti, dielektričnih materialov in jedrnih substratov, služi kot temelj, od katerega je odvisna celovitost vseh 5G signalov. Pri milimetrskih valovnih frekvencah se elektromagnetna energija obnaša po načelih, ki se oblikovalcem, vajenim nižjefrekvenčnih aplikacij, zdijo skoraj neintuitivna. Valovne dolžine signalov se skrčijo na milimetrsko skalo, zaradi česar
Značilnosti, kot so prekinitve via in prekinitve sledi, ki so bile pri 1 GHz nepomembne, postanejo glavni viri odboja in izgube signala pri 28 GHz.
Pravilno zasnovana 5G vezava tiskanih vezij mora hkrati izpolnjevati več konkurenčnih zahtev: nadzorovano impedanco za preprečevanje odbojev signala, nizko vstavno izgubo za ohranjanje moči signala, učinkovito zaščito pred elektromagnetnimi motnjami (EMI) za preprečevanje presluha med vezji in robustno toplotno upravljanje za odvajanje toplote iz energijsko lačnih RF ojačevalnikov. Konfiguracija vezave neposredno vpliva na vsakega od teh parametrov, zaradi česar je najpomembnejša odločitev v celotnem procesu načrtovanja 5G vezij.
2. Razumevanje zahtev za 5G tiskana vezja
2.1 Frekvenčni spekter in značilnosti signala 5G
Pod-6 GHz pasovi: temelj za široko pokritost
Spekter pod 6 GHz, ki zajema frekvence od 600 MHz do 6 GHz, predstavlja hrbtenico pokritosti 5G. Te nižje frekvence zagotavljajo značilnosti širjenja, potrebne za postavitev širokopasovnega omrežja, saj ponujajo boljšo penetracijo v stavbe in daljši doseg v primerjavi z mmWave. Z vidika zasnove tiskanih vezij predstavljajo signali pod 6 GHz zmerne izzive, ki so bolj zahtevni kot 4G LTE, vendar manj ekstremni kot aplikacije mmWave.
mmWave pasovi (24–77 GHz): Zahteve glede ekstremne natančnosti Milimetrski valovni sistem 5G, ki deluje predvsem v frekvenčnih pasovih 24 GHz, 28 GHz, 39 GHz in 77 GHz, potiska tehnologijo tiskanih vezij na njene meje. Pri 28 GHz valovna dolžina v tipičnem laminatu Rogers RO4350B (Dk = 3.48) meri le 5.7 mm. To pomeni, da kritična resonančna dolžina četrtinske valovne dolžine obsega le 1.4 mm. Tradicionalne galvanizirane skoznje odprtine, ki običajno puščajo 2-3 mm dolge skoznje odprtine, postanejo pomembni parazitski resonatorji, ki lahko popolnoma uničijo integriteto signala.
Slika 2 – Podrobna primerjava valovnih dolžin s prikazom fizičnih dimenzij
2.2 Ključni električni parametri za 5G sklade
Na delovanje tiskanih vezij 5G vpliva več električnih parametrov, pri čemer je treba med načrtovanjem skladovnice skrbno upoštevati vsakega. Dielektrična konstanta (Dk ali εr) določa hitrost širjenja signala in nadzorovane vrednosti impedance. Za aplikacije 5G je stabilnost Dk tako pri frekvenci kot pri temperaturi bistvenega pomena. Material, katerega Dk se spreminja za 5 % glede na temperaturo, bo povzročil spremembe impedance, ki povzročajo odboje in poslabšajo integriteto signala v natančnih RF vezjih.
Faktor disipacije (Df), imenovan tudi tangens izgub (tan δ), količinsko opredeli dielektrične izgube. Standardni FR-4 kaže vrednosti Df od 0.015 do 0.020 pri 10 GHz, medtem ko visokozmogljivi materiali, kot je Rogers RO3003, dosegajo 0.0010 pri isti frekvenci, kar je 15-20-kratno izboljšanje.
Tolerance impedančnega nadzora se za 5G aplikacije drastično zožijo. Medtem ko je za številne aplikacije dovolj toleranca impedance ±10 %, 5G RF vezja običajno zahtevajo ±5 % ali strožji nadzor.
| Material | Dielektrika Konstanta (Dk) | Odvajanje Factor (Df) | Najboljša aplikacija |
| Standard FR-4 | 4.2–4.5 pri 1 GHz | 0.015-0.020 | Digitalni, pod 6 GHz, nekritični |
| Rogers RO4350B | 3.48 pri 10 GHz | 0.0037 | Pod 6 GHz RF, stroškovno učinkovit mmWave |
| Rogers RO3003 | 3.00 pri 10 GHz | 0.0010 | Visokozmogljive bazne postaje mmWave |
| RT/duroid 5880 | 2.20 pri 10 GHz | 0.0009 | Ultra nizke izgube >20 GHz, fazni nizi |
Tabela 1: Primerjava visokofrekvenčnih laminatnih materialov za aplikacije 5G PCB
2.3 Fizične in toplotne zahteve
5G tiskana vezja običajno zahtevajo 10–16 bakrenih plasti, da zadostijo zahtevam po gostem usmerjanju sodobnih RF-oddajnikov, procesorjev osnovnega pasu, vezij za upravljanje porabe energije in pripadajočih digitalnih vmesnikov. Tehnologija medsebojnih povezav visoke gostote (HDI) z mikroprehodi s premerom le 0.1 mm, slepimi in zakopanimi prehodi ter usmerjanjem po poljubnih plasteh postaja bistvena za doseganje gostote komponent, ki jo zahteva sistemska integracija 5G, hkrati pa ohranja nadzorovane impedančne signalne poti.
Upravljanje toplote predstavlja znatne izzive pri zasnovah 5G. Ojačevalniki moči v baznih postajah lahko razpršijo 50–100 vatov, kar ustvari lokalizirane vroče točke, ki med delovanjem dosežejo 85–100 °C. Podlaga za tiskano vezje mora imeti zadostno toplotno prevodnost (≥1.5 W/m·K), da se ta toplota porazdeli po površini plošče in prenese na hladilne odvode ali sisteme za upravljanje toplote. Odpornost na visoke temperature, merjena kot relativni toplotni indeks (RTI) ≥150 °C, zagotavlja stabilnost materiala v trajnih obratovalnih pogojih.
Tolerance pri izdelavi tiskanih vezij 5G se znatno zaostrijo. Natančnost registracije – natančnost poravnave med bakrenimi plastmi – mora doseči ±75 μm (±3 mils) ali boljšo za aplikacije mmWave v primerjavi z ±150 μm za običajne zasnove.
3. Izbira materiala za 5G Stack-Ups
3.1 Visokofrekostni laminatni materiali
Rogers Materials: Industrijski standard za RF zmogljivost
Visokofrekostni laminati podjetja Rogers Corporation so postali dejanski standard za aplikacije 5G PCB, saj ponujajo skrbno zasnovane dielektrične lastnosti, ki ostajajo stabilne v širokem frekvenčnem in temperaturnem območju. Serija RO4000, zlasti RO4350B, dosega odlično ravnovesje med RF zmogljivostjo in enostavnostjo izdelave. Z dielektrično konstanto 3.48 ± 0.05 in faktorjem disipacije 0.0037 pri 10 GHz RO4350B zagotavlja predvidljiv nadzor impedance, hkrati pa uporablja standardne tehnike obdelave FR-4, ki ne zahtevajo posebnih obdelav prehodnih prehodov ali spremenjenih parametrov vrtanja.
Za aplikacije, ki zahtevajo še manjše izgube, serija RO3000 zagotavlja izjemno zmogljivost. RO3003 s svojo keramično polnjeno PTFE konstrukcijo dosega lastnosti Df 0.0010 in Dk 3.00, ki ostajajo izjemno konstantne od 10 MHz do 40 GHz. Ta material se odlično obnese v zasnovah ojačevalnikov moči baznih postaj in drugih aplikacijah, kjer vsaka desetinka dB vstavljenih izgub vpliva na delovanje sistema. Kompromis pa predstavljajo višji stroški materiala (običajno 3-5x RO4350B) in zahtevnejše zahteve glede izdelave.
Slika 3 – Prečni prerez laminatne konstrukcije Rogers RO4350B, ki prikazuje bakreno folijo, sistem smol in stekleno ojačitev
3.2 FR-4 v aplikacijah 5G: Razumevanje omejitev
Standard FR-4 ostaja uporaben za specifične dele 5G zasnov, zlasti za dele digitalne obdelave signalov, omrežja za distribucijo električne energije in aplikacije pod 6 GHz, kjer so zahteve glede RF zmogljivosti manj stroge. Sodobni visokokakovostni FR-4 proizvajalcev, kot so Shengyi, Panasonic in ITEQ, lahko doseže vrednosti Df 0.012–0.015 pri 5 GHz, če uporabimo ustrezne sisteme smol in steklene ojačitve.
sprejemljivo za številne signalne poti pod 6 GHz.
Vendar pa omejitve FR-4 postanejo izrazite pri višjih frekvencah. Dk materiala se običajno spreminja za ±10 % v območju delovne temperature (od -40 °C do +85 °C) v primerjavi z ±2 % pri visokofrekvenčnih laminatih. To nihanje se odraža v nihanjih impedance, ki lahko povzročijo bitne napake zaradi odboja v visokohitrostnih digitalnih vmesnikih in poslabšajo delovanje RF sistema. Poleg tega steklena ojačitev FR-4 ustvarja lokalizirane spremembe v efektivnem Dk – »učinek prepletanja vlaken«, ki postane problematičen za sledi, ki potekajo pod poševnim kotom glede na vzorec steklenih vlaken.
3.3 Strategije hibridnega združevanja: optimizacija učinkovitosti in stroškov
Hibridni skladi, ki združujejo visokofrekvenčne laminate s FR-4, ponujajo odličen pristop k uravnoteženju zmogljivosti in stroškov v kompleksnih 5G zasnovah. Strategija jedra namešča drage materiale z nizkimi izgubami le tam, kjer potujejo RF signali, medtem ko se ekonomični FR-4 uporablja za notranje plasti, ki prenašajo digitalne signale, distribucijo energije in mehansko podporo. Tipični hibridni sklad bi lahko uporabil Rogers RO4350B za zunanji dve plasti (L1 in L12 v 12-plastni zasnovi), kjer se nahajajo RF mikrotrakaste prenosne linije, pri čemer jedra FR-4 sestavljajo notranje plasti.
Slika 4 – Diagram prečnega prereza 12-plastnega hibridnega sklada, ki prikazuje zunanje plasti Rogers RO4350B za RF signale
4. Strategije konfiguracije plasti za 5G
4.1 Temeljna načela zlaganja
Preden se poglobimo v specifične konfiguracije plasti, je treba omeniti nekaj temeljnih načel, ki urejajo vse profesionalne zasnove zlaganja tiskanih vezij 5G. Simetrija je najpomembnejši proizvodni dejavnik: zlaganje mora biti uravnoteženo glede na središčno črto plošče, da se prepreči upogibanje med laminiranjem in termičnim cikliranjem. To pomeni ujemanje teže bakra, debeline jedra in števila prepregov na nasprotnih straneh središčne ravnine. Plošča, ki je na eni strani preobremenjena z bakrom, se bo po spajkanju s ponovnim spajkanjem upognila kot krompirjev čips, kar je nesprejemljiv rezultat za natančne RF-sestave.
Sosedstvo referenčne ravnine je prav tako pomembno: vsaka signalna plast mora imeti neposredno ob sebi neprekinjeno ozemljitveno ali napajalno ravnino. To zagotavlja nizkoinduktivno povratno pot, ki jo zahtevajo visokofrekvenčni signali, hkrati pa ščiti signalno plast pred motnjami.
Združevanje plasti vključuje združevanje signalnih plasti glede na funkcijo in električne zahteve. Visokohitrostni diferencialni pari bi morali biti usmerjeni po isti plasti, pri čemer bi se ujemanje dolžine doseglo z usmerjanjem v obliki serpentine in ne z delitvijo parov med plastmi. RF signalne plasti običajno zasedajo zunanje plasti, kjer jih je mogoče implementirati kot mikrotrakaste prenosne linije, kar omogoča enostaven dostop za nastavitev in odpravljanje napak.
4.2 8-plastno zlaganje: vstopna točka za 5G zasnove
8-plastna struktura predstavlja minimalno praktično število plasti za osnovne 5G aplikacije, kot so naprave interneta stvari, majhni celični radijski sprejemniki ali preprosti RF moduli pod 6 GHz. Čeprav je v primerjavi z večjim številom plasti omejena, lahko dobro zasnovana 8-plastna struktura učinkovito podpira zmerno kompleksne zasnove s skrbno disciplino usmerjanja in namestitve komponent.
Priporočena 8-plastna konfiguracija:
∙ Sloj 1: RF signal in kritična visoka hitrost (mikrotrakasti, 50Ω)
∙ Plast 2: Ozemljitvena ravnina (primarna pot povratka RF)
∙ Plast 3: Visokohitrostni digitalni signali (trakasti vod, diferencial 50 Ω ali 100 Ω) ∙ Plast 4: Napajalna ravnina (+3.3 V, +1.8 V razdeljena)
∙ Plast 5: Napajalna ravnina (zrcaljena: +3.3 V, +1.8 V razdeljena)
∙ Sloj 6: Visokohitrostni digitalni signali (trakasti vod, pravokotno na L3)
∙ Sloj 7: Ozemljitvena ravnina (sekundarna povratna pot)
∙ Sloj 8: RF signal in kritična visoka hitrost (mikrotrakasti, 50Ω)
Ta konfiguracija zagotavlja simetrijo (L1-L2-L3-L4 zrcali L8-L7-L6-L5), zagotavlja, da ima vsaka signalna plast sosednjo referenčno ravnino, in postavlja močnostne ravnine v središče, kjer njihova kapacitivnost najbolje služi ločitvi. Tipične dielektrične debeline so lahko: L1-L2 = 6 mil (RO4350B za RF), L2-L3 = 8 mil (jedro), L3-L4 = 14 mil (prepreg), L4-L5 = 20 mil (jedro), zrcalno simetrično glede na L8.
4.3 12-plastno zlaganje: Napredne aplikacije 5G
Za sofisticirane module baznih postaj sistemov 5G, ogromne antenske nize MIMO ali vrhunske pametne telefone 12-plastno zlaganje zagotavlja gostoto usmerjanja in integriteto signala, ki je potrebna za optimalne rezultate. Dodatne plasti omogočajo...
popolna izolacija RF, digitalnih in napajalnih delov, hkrati pa zagotavlja več ozemljitvenih ravnin za vrhunsko zaščito.
Optimizirana 12-plastna konfiguracija za mmWave:
∙ Plast 1: RF signal Plast A (milimetrski valovni antenski napajalniki, mikrotrakasti 50 Ω) ∙ Plast 2: Ozemljitvena ravnina A (primarni RF povrat, 1 g bakra)
∙ Plast 3: RF signal Plast B (sekundarne RF poti, trakasto vodo 50 Ω)
∙ Plast 4: Ozemljitvena ravnina B (RF izolacija in povratek, 1 g bakra)
∙ Plast 5: Napajalna ravnina A (RF napajanje: +5 V PA napajanje, 2 ml bakra)
∙ 6. plast: Visokohitrostni digitalni (SerDes, DDR, PCIe stripline)
∙ Sloj 7: Visokohitrostni digitalni signal (ortogonalno usmerjanje na L6)
∙ Sloj 8: Napajalna ravnina B (digitalno napajanje: +3.3 V, +1.8 V, +1.2 V razcepljeno, 2 ml bakra) ∙ Sloj 9: Ozemljitvena ravnina C (digitalni povratek in zaščita, 1 ml bakra)
∙ Plast 10: Nizkohitrostni signali in usmerjanje (krmiljenje, I2C, SPI)
∙ Sloj 11: Ozemljitvena ravnina D (zadnja zaščitna plast, 1 g bakra)
∙ Sloj 12: RF signalna plast C (sekundarni RF, namestitev komponent, mikrotrakasti 50 Ω) Ta konfiguracija SGSGPSSPGSGS zagotavlja izjemno zmogljivost: štiri ločene ozemljitvene ravnine ustvarjajo več zaščitnih pregrad, RF plasti so popolnoma izolirane od šuma digitalnega preklapljanja, usmerjanje RF s trakastim kablom na L3 pa ponuja odlično zaščito za občutljive poti. Zlaganje ohranja simetrijo glede na središčno ravnino L6-L7.
Slika 5 – Podroben prerez 12-plastnega 5G PCB-ja, ki prikazuje debeline plasti, težo bakra in signal/ravnina
5. Tehnike ozemljitve za 5G tiskana vezja
5.1 Osnove ozemljitve za visokofrekvenčno zasnovo
Pri visokih frekvencah ozemljitev ni zgolj referenčna točka ničelne napetosti, temveč kompleksna elektromagnetna struktura, katere obnašanje vpliva na integriteto signala. Temeljno načelo: visokofrekvenčni povratni tokovi tečejo neposredno pod pripadajočimi signalnimi sledmi in sledijo poti minimalne impedance. Ta pot ni odvisna od enosmerne upornosti, temveč od induktivnosti. Povratni tokovi se naravno koncentrirajo v območju največje sklopitve magnetnega polja s signalnim vodnikom.
Zaradi površinskega učinka pri milimetrskih valovnih frekvencah povratni tokovi tečejo le v zgornjih nekaj sto nanometrih površine ozemljitvene ravnine. Zaradi tega sta površinska obdelava in oksidacijski potencial presenetljivo pomembna – potemneli baker ima večjo radiofrekvenčno odpornost kot svetel baker. Zaradi tega mnogi oblikovalci na ozemljitvenih ravninah na kritičnih radiofrekvenčnih območjih določijo površinsko obdelavo ENIG (brezelektrično nikljevo potopitveno zlato), kljub rahli dodatni induktivnosti, ki jo uvaja nikljeva plast.
5.2 Implementacija trdne ozemljitvene ravnine
Neprekinjena, neprekinjena ozemljitvena ravnina predstavlja najpomembnejšo značilnost vsakega visokofrekvenčnega sklopa tiskanih vezij. Predstavljajte si ozemljitveno ravnino kot popolnoma gladko površino, skozi katero tečejo povratni tokovi; vsaka ovira (praznina, reža, izrez) ustvarja turbulenco, ki seva energijo in odbija signale. Za aplikacije 5G je celovitost ozemljitvene ravnine neizogibna: vsaka ozemljitvena ravnina se mora raztezati od roba do roba plošče z minimalnimi prekinitvami.
Ko se razdelitvi ozemljitvene ravnine ne morete izogniti, na primer za ločevanje analognih in digitalnih delov ali za ustvarjanje toplotnega razbremenitve okoli montažnih lukenj, uporabite šivalne kondenzatorje za premostitev vrzeli. Kondenzatorje s kapaciteto 0.1 μF ali manj namestite v razmiku 1-2 cm vzdolž razdelka, s čimer zagotovite kratek stik med izmeničnim in radijskim tokom (AC) pri radijskih frekvencah, hkrati pa ohranite izolacijo za enosmerni tok. Visokohitrostnih ali radijskih signalov nikoli ne napeljujte čez razdelitvi ozemljitvene ravnine; če mora sled prečkati razcep, jo napeljite pravokotno, da zmanjšate površino zanke, in dodajte ozemljitveni prehod tik ob točki križanja.
5.3 Tehnike šivanja in ograjovanja s tal
Strateško postavitev ozemljitvenih prehodov za povezavo ozemljitvenih ravnin med plastmi se uvršča med najpomembnejše, a pogosto spregledane vidike zasnove 5G tiskanih vezij. Pri milimetrskih valovnih frekvencah postane induktivnost že kratke ozemljitvene povezave pomembna. En sam prehod s premerom 10 mil skozi 62 mil debelo ploščo kaže približno 0.7 nH induktivnosti, kar se zdi zanemarljivo, vendar pri 28 GHz to predstavlja impedanco približno 123 ohmov, kar zadostuje za resno poslabšanje visokofrekvenčnih ozemljitvenih povezav.
Rešitev je v vzporednih povezavah prehodov. Uporaba štirih vzporednih prehodov zmanjša efektivno induktivnost za približno 4-krat (ob upoštevanju učinkov medsebojne induktivnosti), s čimer se impedanca povezave dvigne na sprejemljivejšo raven. Pri kritičnih RF komponentah namestite 3–4 ozemljitvene prehode tik ob vsakem ozemljitvenem pinu in jih povežite z najbližjim...
trdna ozemljitvena ravnina. Te prehode namestite čim bližje komponenti, saj se induktivnost povečuje z dolžino prehoda, zato so kratke poti bistvene.
Slika 6 – Pogled od zgoraj na postavitev tiskanega vezja, ki prikazuje vzorec šivanja okoli
6. Nadzor impedance v 5G stack-up omrežjih
6.1 Osnove nadzorovane impedance
Nadzorovana impedanca predstavlja temelj visoke hitrosti in integritete RF signala. Ko imajo vir signala, prenosna pot in zaključek enako karakteristično impedanco, se energija popolnoma prenese od vira do bremena brez odbojev. Neusklajenost impedance povzroči, da se deli signala odbijajo nazaj proti viru, kar ustvarja stoječe valove, zvonjenje in medsimbolne motnje, ki poškodujejo digitalne signale in poslabšajo delovanje RF sistema.
Za aplikacije 5G je 50-ohmska enostranska impedanca postala univerzalni standard za RF in mikrovalovna vezja. Ta vrednost je nastala z optimizacijo med zmogljivostjo prenosa moči in izgubami v koaksialnih kablih, celoten ekosistem RF konektorjev, testne opreme in komponent pa predvideva 50-ohmske sisteme.
Digitalni vmesniki s hitrostjo običajno uporabljajo bodisi 50-ohmsko enojno impedanco (za enojne signale, kot so ure) bodisi 100-ohmsko diferencialno impedanco (za diferencialne pare, kot so MIPI, PCIe in USB).
6.2 Konfiguracija mikrotrakastih vezij za RF signale
Mikrotrakasta sled signala na zunanji plasti plošče z ozemljitveno ravnino na sosednji notranji plasti predstavlja najpogostejšo konfiguracijo prenosnih vodov za RF vezja.
Karakteristična impedanca mikrotrakaste vezi je odvisna od širine sledi (W), višine nad ozemljitveno ravnino (H), debeline bakra (T) in dielektrične konstante substrata (εr). Pri aproksimaciji prvega reda širše sledi in debelejši dielektriki povečajo impedanco, medtem ko višje dielektrične konstante zmanjšajo impedanco.
Primer izračuna mikrotrakastega kabla: doseganje 50 Ω na 5 mil debelini Rogers RO4350B (εr = 3.48) z 1 oz bakra zahteva približno 11 mil širine sledi. Ista impedanca na dielektriku debeline 4 mil zahteva širino 8.5 mil, kar dokazuje občutljivost na debelino dielektrika.
Slika 7 – Diagram prečnega prereza geometrije mikrotrakastega daljnovoda
6.4 Diferencialna impedanca parov za visokohitrostne vmesnike
Diferencialna signalizacija, ki prenaša podatke kot napetostna razlika med dvema komplementarnima signaloma, prevladuje v sodobnih visokohitrostnih digitalnih vmesnikih zaradi boljše imunosti na šum in zmanjšane elektromagnetne motnje. Diferencialna impedanca (Zdiff) je odvisna tako od enostranske impedance vsake sledi (Z0) kot od sklopitve med sledmi. Pri ohlapno sklopljenih sledeh je Zdiff ≈ 2 × Z0. Ko se sledi približujejo druga drugi, se sklopitev poveča, kar zmanjša diferencialno impedanco pod to razmerje 2:1.
Za diferencialno impedanco 100 ohmov (standard za večino visokohitrostnih digitalnih vmesnikov) tipične zasnove uporabljajo 50-ohmske enostranske sledi s sklopko, ki zmanjša diferencialno impedanco na 100 ohmov. Pri mikrotrakastih sledeh z robno sklopljenimi sledmi je za doseganje diferencialne impedance 100 ohmov običajno potreben razmik med sledmi 1.5–2 × širina sledi. Manjši razmik poveča sklopko in dodatno zmanjša diferencialno impedanco; večji razmik zmanjša sklopko in poveča diferencialno impedanco.
| Layer | funkcija | tip | Teža bakra | Debelina | Material |
| L1 | RF signal | Mikrotrakasti 50Ω | 0.5 oz | - | RO4350B |
| L2 | Igrišče | Plane | 1 oz | 5 1000 | Core |
| L3 | RF signal | Trakasti vod 50Ω | 0.5 oz | 6 1000 | prepreg |
| L4 | Igrišče | Plane | 1 oz | 8 1000 | Core |
| ... | Simetrična | Mirror | ... | ... | ... |
Tabela 2: Primer 12-plastne konfiguracije zlaganja 5G (delno) s prikazom zgornjih plasti
7. Premisleki o integriteti signala
Celovitost signala v 5G tiskanih vezjih zajema več medsebojno povezanih pojavov, ki lahko poslabšajo delovanje sistema, če se ne obvladujejo pravilno. Razumevanje mehanizmov degradacije signala in tehnik načrtovanja skladov, ki jih blažijo, ločuje funkcionalne zasnove od optimalnih.
7.1 Mehanizmi za izgubo pri visokih frekvencah
Izguba signala se dramatično povečuje s frekvenco zaradi več fizikalnih učinkov. Dielektrične izgube nastanejo zaradi molekularne polarizacije v substratu, ko električno polje niha pri RF frekvencah, dipoli v materialu pa se poskušajo poravnati s poljem in energijo razpršijo kot toploto. Ta izguba je neposredno povezana s faktorjem disipacije: podvojitev Df približno podvoji izgubo. Pri 28 GHz v standardnem FR-4 (Df ≈ 0.020) lahko dielektrične izgube presežejo 1.5 dB na palec, medtem ko Rogers RO3003 (Df ≈ 0.001) doseže izgube pod 0.3 dB na palec pod enakimi pogoji. Izguba v prevodniku se povečuje s kvadratnim korenom frekvence zaradi površinskega učinka; visokofrekvenčni tokovi se koncentrirajo v bližini površin prevodnikov, kar povečuje efektivno upornost.
7.2 Zasnova prehoda za aplikacije mmWave
Prehodni kanali (via stubs) so neuporabljen del skoznje luknje, ki se razteza mimo plasti, kjer signal izstopa, in ustvarja resonančne strukture, ki odbijajo signale pri določenih frekvencah. Prehodni kanal deluje kot kratkostični prenosni vod, katerega resonanca četrt valovne dolžine povzroči največji odboj. Pri 28 GHz in debelini plošče 50 mil lahko celo prehodni kanal debeline 15 mil ustvari problematične resonance. Rešitve vključujejo vrtanje nazaj za odstranitev prehodnih kanalov ali uporabo slepih/zakopanih prehodov, ki se končajo natančno na signalni plasti.
Slika 9 – Na hrbtni strani izvrtana PCB preko
zaključek
Uspešno načrtovanje sklada tiskanih vezij 5G zahteva strokovno znanje iz več disciplin, tj. znanosti o materialih, elektromagnetne teorije, proizvodnih procesov in upravljanja toplote. Smernice, predstavljene v tem članku, od izbire materiala prek strategij ozemljitve do nadzora impedance zagotavljajo celovit okvir za ustvarjanje visokokakovostnih...
zmogljive 5G zasnove.
Glavni rezultati vključujejo:
1. Izbira materiala vpliva na zmogljivost in stroške, po potrebi uporabite visokofrekvenčne laminate, drugje pa FR-4.
2. Simetrična zlaganja z ustreznimi referenčnimi ravninami niso sporna. 3. Celovitost ozemljitvene ravnine in šivanje prehodov določata celovitost signala pri milimetrskem valovanju.
4. Nadzor impedance zahteva natančen nadzor debeline dielektrika in preverjanje reševalca polja.
5. Zgodnje sodelovanje s proizvajalcem tiskanih vezij preprečuje drago ponovno vstavljanje.
Ker se tehnologija 5G še naprej razvija proti višjim frekvencam in večji kompleksnosti, bodo tukaj opisani koraki in metode ostali temeljni. Ne glede na to, ali načrtujete svoj prvi izdelek 5G ali optimizirate obstoječo platformo, se vlaganje časa v optimizacijo skladov obrestuje v smislu zmogljivosti sistema, proizvodnega donosa in časa do uvedbe na trg.
