1. Paraqitje
1.1 Revolucioni 5G dhe Sfidat e PCB-së
Zbatimi global i teknologjisë pa tel 5G përfaqëson transformimin më të rëndësishëm në infrastrukturën e telekomunikacionit që nga ardhja e 4G LTE. Duke operuar në dy banda të dallueshme frekuencash nën 6 GHz për mbulim të gjerë dhe frekuenca të valëve milimetrike (mmWave) që variojnë nga 24 deri në 77 GHz për frekuenca ultra të larta.
Rrjetet 5G kërkojnë saktësi të paparë në projektimin e qarqeve të shtypura (PCB). Ndryshe nga aplikacionet konvencionale të PCB-së, sistemet 5G duhet të trajtojnë frekuencat e sinjalit ku edhe defektet mikroskopike të projektimit mund të shkaktojnë degradim katastrofik të performancës.
Sipas analizës së industrisë, tregu global i infrastrukturës 5G parashikohet të kalojë 47.7 miliardë dollarë deri në vitin 2027, duke nxitur një kërkesë masive për zgjidhje PCB me performancë të lartë. Kjo rritje krijon si mundësi ashtu edhe sfida për projektuesit e PCB-ve, të cilët duhet të zotërojnë marrëdhënien e ndërlikuar midis vetive të materialeve, konfigurimit të shtresave dhe sjelljes së sinjalit në frekuencat e radios. Kalimi nga 4G në 5G nuk është thjesht një përmirësim gradual, por kërkon një rimendim themelor të arkitekturës së grumbullimit të PCB-ve.
Figura 1 – spektri i frekuencave me bandat nën 6 GHz dhe mmWave të theksuara
1.2 Roli kritik i dizajnit Stack-Up në performancën 5G
PCB-ja, e cila grumbullon rregullimin e orkestruar me kujdes të shtresave të bakrit, materialeve dielektrike dhe substrateve thelbësore, shërben si themeli mbi të cilin varet integriteti i të gjithë sinjalit 5G. Në frekuencat mmWave, energjia elektromagnetike sillet sipas parimeve që duken pothuajse kundërintuitive për projektuesit e mësuar me aplikime me frekuencë të ulët. Gjatësitë e valëve të sinjalit tkurren në shkallë milimetrike, duke bërë që
Karakteristika si cungjet nëpërmjet sinjaleve dhe ndërprerjet e gjurmëve që ishin të parëndësishme në 1 GHz bëhen burime kryesore të reflektimit dhe humbjes së sinjalit në 28 GHz.
Një grumbull i PCB-ve 5G i projektuar siç duhet duhet të adresojë njëkohësisht kërkesa të shumta konkurruese: impedancë të kontrolluar për të parandaluar reflektimet e sinjalit, humbje të ulët të futjes për të ruajtur forcën e sinjalit, mbrojtje efektive nga ndërhyrjet elektromagnetike (EMI) për të parandaluar bisedat e kryqëzuara midis qarqeve dhe menaxhim të fuqishëm termik për të shpërndarë nxehtësinë nga amplifikatorët RF që konsumojnë shumë energji. Konfigurimi i grumbullimit ndikon drejtpërdrejt në secilin prej këtyre parametrave, duke e bërë atë vendimin më kritik në të gjithë procesin e projektimit të PCB-ve 5G.
2. Kuptimi i kërkesave të PCB-së 5G
2.1 Spektri i Frekuencës 5G dhe Karakteristikat e Sinjalit
Brezat nën 6 GHz: Themeli për Mbulim të Gjerë
Spektri nën 6 GHz, që përfshin frekuencat nga 600 MHz deri në 6 GHz, përfaqëson shtyllën kurrizore të mbulimit të 5G. Këto frekuenca më të ulëta ofrojnë karakteristikat e përhapjes së nevojshme për vendosjen e rrjetit në zonë të gjerë, duke ofruar depërtim superior në ndërtesa dhe një rreze më të gjatë frekuence krahasuar me mmWave. Nga perspektiva e projektimit të PCB-së, sinjalet nën 6 GHz paraqesin sfida të moderuara, më të kërkuara se 4G LTE, por më pak ekstreme se aplikacionet mmWave.
Brezat mmWave (24-77 GHz): Kërkesa për saktësi ekstreme Vala milimetrike 5G, që vepron kryesisht në bandat 24 GHz, 28 GHz, 39 GHz dhe 77 GHz, e çon teknologjinë e PCB-së në kufijtë e saj. Në 28 GHz, gjatësia e valës në një laminat tipik Rogers RO4350B (Dk = 3.48) mat vetëm 5.7 mm. Kjo do të thotë që një çerek gjatësie vale, një gjatësi kritike rezonante, përfshin vetëm 1.4 mm. Viat tradicionale të veshura me vrima, të cilat zakonisht lënë 2-3 mm, bëhen rezonatorë parazitarë të rëndësishëm që mund të shkatërrojnë plotësisht integritetin e sinjalit.
Figura 2 – Krahasim i detajuar i gjatësisë së valës që tregon dimensionet fizike
2.2 Parametrat kryesorë elektrikë për 5G Stack-Ups
Disa parametra elektrikë përcaktojnë performancën e PCB-së 5G, secili prej të cilëve kërkon konsideratë të kujdesshme gjatë projektimit të grumbullimit. Konstanta dielektrike (Dk ose εr) përcakton shpejtësinë e përhapjes së sinjalit dhe vlerat e kontrolluara të impedancës. Për aplikimet 5G, stabiliteti i Dk si në frekuencë ashtu edhe në temperaturë është parësor. Një material, Dk i të cilit ndryshon me 5% mbi temperaturën, do të shkaktojë ndryshime të impedancës që gjenerojnë reflektime dhe degradojnë integritetin e sinjalit në qarqet RF precize.
Faktori i shpërndarjes (Df), i quajtur edhe tangjent humbjesh (tan δ), përcakton sasinë e humbjeve dielektrike. Standardi FR-4 shfaq vlera Df prej 0.015-0.020 në 10 GHz, ndërsa materialet me performancë të lartë si Rogers RO3003 arrijnë 0.0010 në të njëjtën frekuencë, një përmirësim 15-20 herë.
Tolerancat e kontrollit të impedancës ngushtohen ndjeshëm për aplikacionet 5G. Ndërsa toleranca e impedancës ±10% mund të jetë e mjaftueshme për shumë aplikacione, qarqet RF 5G zakonisht kërkojnë kontroll ±5% ose më të rreptë.
| material | jopërçues Konstante (Dk) | shpërndarje Factor (Df) | Aplikacioni më i mirë |
| Standardi FR-4 | 4.2-4.5 @ 1GHz | 0.015-0.020 | Dixhital, nën 6 GHz jo kritik |
| Rogers RO4350B | 3.48 @ 10GHz | 0.0037 | RF nën 6 GHz, mmWave me kosto efektive |
| Rogers RO3003 | 3.00 @ 10GHz | 0.0010 | Stacione bazë mmWave me performancë të lartë |
| RT/duroid 5880 | 2.20 @ 10GHz | 0.0009 | Humbje ultra të ulëta >20 GHz, vargje të fazuara |
Tabela 1: Krahasimi i materialeve të laminuara me frekuencë të lartë për aplikimet e PCB 5G
2.3 Kërkesat Fizike dhe Termike
PCB-të 5G zakonisht kërkojnë 10-16 shtresa bakri për të akomoduar kërkesat e dendura të rrugëzimit të transmetuesve modernë RF, procesorëve të brezit bazë, qarqeve të menaxhimit të energjisë dhe ndërfaqeve dixhitale përkatëse. Teknologjia e ndërlidhjes me dendësi të lartë (HDI) që përmban mikrovia me diametër deri në 0.1 mm, via të verbëra dhe të varrosura, dhe rrugëzimin me çdo shtresë bëhet thelbësore për arritjen e dendësisë së komponentëve që kërkon integrimi i sistemit 5G, duke ruajtur shtigjet e sinjalit me impedancë të kontrolluar.
Menaxhimi termik paraqet sfida të rëndësishme në dizajnet 5G. Amplifikatorët e fuqisë në aplikacionet e stacioneve bazë mund të shpërndajnë 50-100 vat, duke gjeneruar pika të nxehta lokale që arrijnë 85-100°C gjatë funksionimit. Substrati i PCB-së duhet të ketë përçueshmëri termike të mjaftueshme (≥1.5 W/m·K) për të përhapur këtë nxehtësi në të gjithë zonën e pllakës dhe për ta transferuar atë në radiatorët ose sistemet e menaxhimit termik. Rezistenca ndaj temperaturës së lartë, e matur si Indeksi Termik Relativ (RTI) prej ≥150°C, siguron stabilitetin e materialit në kushte të qëndrueshme funksionimi.
Tolerancat e prodhimit shtrëngohen ndjeshëm për PCB-të 5G. Saktësia e regjistrimit, saktësia e shtrirjes midis shtresave të bakrit duhet të arrijë ±75 μm (±3 mils) ose më të mirë për aplikimet mmWave, krahasuar me ±150 μm për dizajnet konvencionale.
3. Përzgjedhja e Materialit për Stack-Ups 5G
3.1 Materiale Laminate me Frekuencë të Lartë
Materialet Rogers: Standardi i Industrisë për Performancën RF
Laminatet me frekuencë të lartë të Rogers Corporation janë bërë standardi de facto për aplikimet PCB 5G, duke ofruar veti dielektrike të projektuara me kujdes që mbeten të qëndrueshme në diapazon të gjerë frekuencash dhe temperaturash. Seria RO4000, veçanërisht RO4350B, arrin një ekuilibër të shkëlqyer midis performancës RF dhe prodhueshmërisë. Me një konstante dielektrike prej 3.48 ± 0.05 dhe faktor shpërndarjeje prej 0.0037 në 10 GHz, RO4350B ofron kontroll të parashikueshëm të impedancës ndërsa përdor teknikat standarde të përpunimit FR-4 pa trajtime të veçanta ose parametra të modifikuar shpimi.
Për aplikimet që kërkojnë humbje edhe më të ulëta, seria RO3000 ofron performancë të jashtëzakonshme. RO3003, me ndërtimin e saj PTFE të mbushur me qeramikë, arrin Df prej 0.0010 dhe Dk prej 3.00 veti që mbeten jashtëzakonisht të qëndrueshme nga 10 MHz në 40 GHz. Ky material shkëlqen në dizajnet e amplifikatorëve të fuqisë së stacioneve bazë dhe aplikime të tjera ku çdo e dhjeta e një dB e humbjes së futjes ndikon në performancën e sistemit. Kompromisi vjen në kosto më të larta të materialeve (zakonisht 3-5x RO4350B) dhe kërkesa më të larta prodhimi.
Figura 3 – Pamje tërthore e konstruksionit të laminuar Rogers RO4350B që tregon fletë bakri, sistem rrëshire dhe përforcues qelqi
3.2 FR-4 në Aplikimet 5G: Kuptimi i Kufizimeve
Standardi FR-4 mbetet i zbatueshëm për pjesë specifike të dizajneve 5G, veçanërisht seksionet e përpunimit të sinjalit dixhital, rrjetet e shpërndarjes së energjisë dhe aplikacionet nën 6 GHz ku kërkesat e performancës RF janë më pak të rrepta. FR-4 moderne me cilësi të lartë nga prodhues si Shengyi, Panasonic dhe ITEQ mund të arrijë vlera Df prej 0.012-0.015 në 5 GHz kur përdoren sisteme të përshtatshme rrëshire dhe përforcime qelqi.
e pranueshme për shumë shtigje sinjali nën 6 GHz.
Megjithatë, kufizimet e FR-4 bëhen të theksuara në frekuenca më të larta. Dk i materialit zakonisht ndryshon me ±10% në të gjithë diapazonin e temperaturës së funksionimit (-40°C deri në +85°C), krahasuar me ±2% për laminatet me frekuencë të lartë. Ky ndryshim përkthehet në luhatje të impedancës që mund të shkaktojnë gabime të biteve të shkaktuara nga reflektimi në ndërfaqet dixhitale me shpejtësi të lartë dhe të degradojnë performancën e sistemit RF. Përveç kësaj, përforcimi i qelqit i FR-4 krijon variacione të lokalizuara në Dk efektive, 'efektin e endjes së fibrave', i cili bëhet problematik për gjurmët që shkojnë në kënde të pjerrëta me modelin e fibrave të qelqit.
3.3 Strategjitë Hibride të Stack-Up: Optimizimi i Performancës dhe Kostos
Ndërtesat hibride që kombinojnë laminat me frekuencë të lartë me FR-4 ofrojnë një qasje të shkëlqyer për balancimin e performancës dhe kostos në dizajnet komplekse 5G. Strategjia kryesore vendos materiale të shtrenjta me humbje të ulët vetëm aty ku udhëtojnë sinjalet RF, ndërsa përdor FR-4 ekonomik për shtresat e brendshme që mbajnë sinjale dixhitale, shpërndarjen e energjisë dhe mbështetjen mekanike. Një ndërtues tipik hibrid mund të përdorë Rogers RO4350B për dy shtresat e jashtme (L1 dhe L12 në një dizajn me 12 shtresa) ku ndodhen linjat e transmetimit me mikrostrip RF, me bërthama FR-4 që përbëjnë shtresat e brendshme.
Figura 4 – Diagrama e prerjes tërthore e një grumbulli hibrid me 12 shtresa që tregon shtresat e jashtme Rogers RO4350B për sinjalet RF
4. Strategjitë e Konfigurimit të Shtresave për 5G
4.1 Parimet Themelore të Stack-Up
Para se të futemi në konfigurime specifike shtresash, disa parime themelore rregullojnë të gjitha modelet profesionale të grumbullimit të PCB-ve 5G. Simetria renditet si konsiderata më kritike e prodhimit: grumbullimi duhet të jetë i balancuar rreth vijës qendrore të pllakës për të parandaluar deformimin gjatë laminimit dhe ciklit termik. Kjo do të thotë përputhje e peshave të bakrit, trashësisë së bërthamës dhe numërimit të prepreg-eve në anët e kundërta të planit qendror. Një pllakë që është e rëndë me bakër në njërën anë do të përkulet si një patate e skuqur pas saldimit me ripërpunim, një rezultat i papranueshëm për montimet RF precize.
Afërsia e planit të referencës është po aq e rëndësishme: çdo shtresë sinjali duhet të ketë një plan të pandërprerë tokëzimi ose fuqie menjëherë ngjitur me të. Kjo siguron rrugën e kthimit me induktivitet të ulët që kërkojnë sinjalet me frekuencë të lartë, ndërsa njëkohësisht mbron shtresën e sinjalit nga ndërhyrjet.
Çiftëzimi i shtresave përfshin grupimin e shtresave të sinjalit sipas funksionit dhe kërkesave elektrike. Çiftet diferenciale me shpejtësi të lartë duhet të drejtohen në të njëjtën shtresë, me përputhjen e gjatësisë të arritur përmes drejtimit serpentin në vend të ndarjes së çifteve nëpër shtresa. Shtresat e sinjalit RF zakonisht zënë shtresat e jashtme ku mund të zbatohen si linja transmetimi me mikrostrip, duke siguruar akses të lehtë për akordim dhe debugim.
4.2 Stack-Up me 8 Shtresa: Pika Hyrëse për Dizajnet 5G
Një strukturë me 8 shtresa përfaqëson numrin minimal praktik të shtresave për aplikacionet bazë 5G, siç janë pajisjet IoT, radiot me qeliza të vogla ose modulet e thjeshta RF nën 6 GHz. Ndërsa e kufizuar në krahasim me numrin më të lartë të shtresave, një strukturë me 8 shtresa e projektuar mirë mund të mbështesë në mënyrë efektive dizajne mesatarisht komplekse me disiplinë të kujdesshme të rrugëzimit dhe vendosje të komponentëve.
Konfigurimi i rekomanduar me 8 shtresa:
∙ Shtresa 1: Sinjali RF dhe Shpejtësia Kritike e Lartë (mikroshirit, 50Ω)
∙ Shtresa 2: Plani Tokësor (rruga kryesore e kthimit RF)
∙ Shtresa 3: Sinjale Dixhitale me Shpejtësi të Lartë (stripline, diferencial 50Ω ose 100Ω) ∙ Shtresa 4: Plani i Fuqisë (+3.3V, +1.8V i ndarë)
∙ Shtresa 5: Plani i Energjisë (pasqyruar: +3.3V, +1.8V ndarje)
∙ Shtresa 6: Sinjale Dixhitale me Shpejtësi të Lartë (vijë shiriti, ortogonale me L3)
∙ Shtresa 7: Plani Tokësor (rruga dytësore e kthimit)
∙ Shtresa 8: Sinjali RF dhe Shpejtësia Kritike e Lartë (mikroshirit, 50Ω)
Ky konfigurim siguron simetri (L1-L2-L3-L4 pasqyron L8-L7-L6-L5), siguron që çdo shtresë sinjali të ketë një plan referimi ngjitur dhe vendos planet e fuqisë në qendër ku kapaciteti i tyre shërben më së miri për shkëputje. Trashësitë tipike dielektrike mund të jenë: L1-L2 = 6 mil (RO4350B për RF), L2-L3 = 8 mil (bërthama), L3-L4 = 14 mil (prepreg), L4-L5 = 20 mil (bërthama), të pasqyruara në mënyrë simetrike me L8.
4.3 Stack-Up me 12 Shtresa: Aplikacione të Avancuara 5G
Për modulet e stacioneve bazë të sistemeve të sofistikuara 5G, grupet masive të antenave MIMO ose telefonat inteligjentë të nivelit të lartë, një grumbullim me 12 shtresa siguron dendësinë e rrugëzimit dhe performancën e integritetit të sinjalit të nevojshme për rezultate optimale. Shtresat shtesë mundësojnë
izolim i plotë i seksioneve RF, dixhitale dhe të energjisë, ndërsa siguron plane të shumëfishta tokësore për mbrojtje superiore.
Konfigurim i optimizuar me 12 shtresa për mmWave:
∙ Shtresa 1: Sinjali RF Shtresa A (ushqimet e antenës mmWave, mikrostrip 50Ω) ∙ Shtresa 2: Plani Tokësor A (kthimi primar RF, 1 oz Cu)
∙ Shtresa 3: Sinjali RF Shtresa B (shtigje dytësore RF, linjë shiriti 50Ω)
∙ Shtresa 4: Plani Tokësor B (izolim dhe kthim RF, 1 oz Cu)
∙ Shtresa 5: Plani i Energjisë A (Fuqia RF: Furnizim +5V PA, 2 oz Cu)
∙ Shtresa 6: Dixhitale me Shpejtësi të Lartë (SerDes, DDR, PCIe stripline)
∙ Shtresa 7: Dixhitale me Shpejtësi të Lartë (rrugim ortogonal në L6)
∙ Shtresa 8: Plani i Energjisë B (Fuqia dixhitale: +3.3V, +1.8V, ndarje +1.2V, 2 oz Cu) ∙ Shtresa 9: Plani i Tokëzimit C (kthim dhe mbrojtje dixhitale, 1 oz Cu)
∙ Shtresa 10: Sinjale me Shpejtësi të Ulët dhe Rrugëzim (kontroll, I2C, SPI)
∙ Shtresa 11: Plani Tokësor D (shtresa mbrojtëse përfundimtare, 1 oz Cu)
∙ Shtresa 12: Sinjali RF Shtresa C (RF sekondare, vendosja e komponentëve, mikrostrip 50Ω) Ky konfigurim SGSGPSSPGSGS ofron performancë të jashtëzakonshme: katër plane të ndara tokësore krijojnë barriera të shumëfishta mbrojtëse, shtresat RF janë plotësisht të izoluara nga zhurma e ndërrimit dixhital dhe drejtimi RF i linjës së shiritit në L3 ofron mbrojtje të shkëlqyer për shtigje të ndjeshme. Grumbulli ruan simetri rreth planit qendror L6-L7.
Figura 5 - Prerje tërthore e detajuar e një grumbulli PCB 5G me 12 shtresa që tregon trashësinë e shtresave, peshat e bakrit dhe sinjalin/planin
5. Teknikat e Tokëzimit për PCB-të 5G
5.1 Bazat e Tokëzimit për Projektimin me Frekuencë të Lartë
Në frekuenca të larta, toka nuk është thjesht një pikë referimi me tension zero, por më tepër një strukturë komplekse elektromagnetike, sjellja e së cilës dominon performancën e integritetit të sinjalit. Parimi themelor: rrymat e kthimit me frekuencë të lartë rrjedhin direkt nën gjurmët e sinjalit të tyre të shoqëruara, duke ndjekur rrugën e impedancës minimale. Kjo rrugë nuk varet nga rezistenca DC, por nga induktiviteti. rrymat e kthimit përqendrohen natyrshëm në rajonin e çiftëzimit maksimal të fushës magnetike me përçuesin e sinjalit.
Efekti i lëkurës në frekuencat mmWave do të thotë që rrymat e kthimit rrjedhin vetëm në disa qindra nanometra të sipërm të sipërfaqes së planit të tokëzimit. Kjo e bën përfundimin e sipërfaqes dhe potencialin e oksidimit çuditërisht të rëndësishëm, pasi bakri i njollosur shfaq rezistencë më të lartë RF sesa bakri i ndritshëm. Për këtë arsye, shumë projektues specifikojnë përfundime sipërfaqësore ENIG (Electroless Nickel Immersion Gold) në planet e tokëzimit në zonat kritike RF, pavarësisht induktancës së lehtë shtesë që sjell shtresa e nikelit.
5.2 Implementimi i Planit të Tokës së Ngurtë
Një plan tokësor i vazhdueshëm dhe i pandërprerë përfaqëson tiparin më të rëndësishëm të çdo grumbulli PCB me frekuencë të lartë. Mendoni për planin e tokësor si sigurimin e një sipërfaqeje liqeni të përkryer të lëmuar për rrjedhën e rrymave të kthimit, çdo pengesë (boshllëk, çarje, prerje) krijon turbulencë që rrezaton energji dhe reflekton sinjalet. Për aplikacionet 5G, integriteti i planit të tokësor është i panegociueshëm: çdo plan tokësor duhet të shtrihet nga një skaj në tjetrin i pllakës me ndërprerje minimale.
Kur ndarjet në planin e tokëzimit bëhen të pashmangshme, ndoshta për të ndarë seksionet analoge dhe dixhitale, ose për të krijuar lehtësim termik rreth vrimave të montimit, përdorni kondensatorë qepës për të mbushur boshllëkun. Vendosni kondensatorë 0.1 μF ose më të vegjël në intervale 1-2 inç përgjatë ndarjes, duke siguruar një lidhje të shkurtër AC në frekuencat RF duke ruajtur izolimin DC. Mos drejtoni kurrë sinjale me shpejtësi të lartë ose RF përmes ndarjeve në planin e tokëzimit; nëse një gjurmë duhet të kalojë një ndarje, drejtojeni atë pingul për të minimizuar zonën e lakut dhe shtoni një lidhje tokëzimi menjëherë ngjitur me pikën e kryqëzimit.
5.3 Nëpërmjet teknikave të qepjes dhe rrethimit me gardh në tokë
Vendosja strategjike e lidhjeve të tokëzimit për të lidhur planet e tokëzimit midis shtresave renditet ndër aspektet më kritike, por shpesh të anashkaluara, të dizajnit të PCB-së 5G. Në frekuencat mmWave, induktanca edhe e një lidhjeje të shkurtër tokësore bëhet e rëndësishme. Një lidhje e vetme me diametër 10 mil përmes një pllake me trashësi 62 mil shfaq afërsisht 0.7 nH induktancë që duket e papërfillshme, por në 28 GHz kjo përfaqëson një impedancë prej afërsisht 123 ohm, e mjaftueshme për të degraduar rëndë lidhjet e tokëzimit me frekuencë të lartë.
Zgjidhja qëndron në vargjet paralele të viave. Përdorimi i katër viave paralelisht zvogëlon induktancën efektive me afërsisht 4 herë (duke marrë parasysh efektet e induktancës reciproke), duke e çuar impedancën e lidhjes në nivele më të pranueshme. Për komponentët kritikë RF, vendosni 3-4 via tokëzimi menjëherë ngjitur me çdo kunj tokëzimi, duke u lidhur me lidhësin më të afërt.
plan i ngurtë tokësor. Hapni këto via sa më afër komponentit të jetë e mundur, induktiviteti rritet me gjatësinë e via-s, duke i bërë shtigjet e shkurtra thelbësore.
Figura 6 – Pamje nga lart e paraqitjes së PCB-së që tregon modelin e qepjes përreth
6. Kontrolli i Impedancës në Stack-Ups 5G
6.1 Bazat e Impedancës së Kontrolluar
Impedanca e kontrolluar përfaqëson themelin e shpejtësisë së lartë dhe integritetit të sinjalit RF. Kur burimi, rruga e transmetimit dhe fundi i një sinjali paraqesin të njëjtën impedancë karakteristike, energjia transferohet plotësisht nga burimi në ngarkesë pa reflektime. Mospërputhjet e impedancës bëjnë që pjesë të sinjalit të reflektohen përsëri drejt burimit, duke krijuar valë të qëndrueshme, zilka dhe ndërhyrje ndërsimbolike që dëmtojnë sinjalet dixhitale dhe degradojnë performancën e sistemit RF.
Për aplikimet 5G, impedanca 50-ohm me një skaj është bërë standardi universal për qarqet RF dhe mikrovalë. Kjo vlerë doli nga optimizimi midis aftësisë së trajtimit të energjisë dhe humbjes në kabllot koaksiale, dhe i gjithë ekosistemi RF i lidhësve, pajisjeve të testimit dhe komponentëve supozon sisteme 50-ohm. E lartë
Ndërfaqet dixhitale të shpejta zakonisht përdorin ose impedancë diferenciale 50-ohm me një skaj (për sinjale me një skaj si orët) ose impedancë diferenciale 100-ohm (për çifte diferenciale si MIPI, PCIe dhe USB).
6.2 Konfigurimi i mikrostripit për sinjalet RF
Mikrostripimi i një gjurme sinjali në shtresën e jashtme të pllakës me një plan tokëzimi në shtresën e brendshme ngjitur përfaqëson konfigurimin më të zakonshëm të linjës së transmetimit për qarqet RF.
Impedanca karakteristike e një mikroshiriti varet nga gjerësia e gjurmës (W), lartësia mbi planin e tokës (H), trashësia e bakrit (T) dhe konstanta dielektrike e materialit të substratit (εr). Për një përafrim të rendit të parë, gjurmët më të gjera dhe dielektrikët më të trashë rrisin impedancën, ndërsa konstantat dielektrike më të larta ulin impedancën.
Shembull llogaritjeje me mikroshirit: arritja e 50Ω në një Rogers RO4350B me trashësi 5 mil (εr = 3.48) me 1 oz bakër kërkon afërsisht 11 mil gjerësi gjurmëje. E njëjta impedancë në një dielektrik 4 mil kërkon 8.5 mil gjerësi, duke demonstruar ndjeshmërinë ndaj trashësisë së dielektrikut.
Figura 7 – Diagrama e prerjes tërthore të gjeometrisë së linjës së transmetimit me mikrostrip
6.4 Impedanca Diferenciale e Çifteve për Ndërfaqet me Shpejtësi të Lartë
Sinjalizimi diferencial që transmeton të dhëna, ndërsa diferenca e tensionit midis dy sinjaleve plotësuese dominon ndërfaqet moderne dixhitale me shpejtësi të lartë për shkak të imunitetit superior ndaj zhurmës dhe EMI-së së reduktuar. Impedanca diferenciale (Zdiff) varet si nga impedanca e një skaji të vetëm të secilës gjurmë (Z0) ashtu edhe nga çiftëzimi midis gjurmëve. Për gjurmët e lidhura lirshëm, Zdiff ≈ 2 × Z0. Ndërsa gjurmët lëvizin më afër njëra-tjetrës, çiftëzimi rritet, duke zvogëluar impedancën diferenciale nën këtë raport 2:1.
Për impedancën diferenciale 100-ohm (standardi për shumicën e ndërfaqeve dixhitale me shpejtësi të lartë), dizajnet tipike përdorin gjurmë me një skaj 50-ohm me bashkim që e zvogëlon impedancën diferenciale në 100 ohm. Në mikroshirit me gjurmë të bashkuara në skaj, arritja e diferencialit 100-ohm zakonisht kërkon hapësirë gjurmësh prej 1.5-2× gjerësia e gjurmës. Hapësira më e ngushtë rrit bashkimin dhe zvogëlon më tej impedancën diferenciale; hapësira më e gjerë zvogëlon bashkimin dhe rrit impedancën diferenciale.
| shtresë | funksion | Tipi | Pesha e Cu | Trashësia | material |
| L1 | RF Signal | Mikroshirit 50Ω | 0.5 oz | - | RO4350B |
| L2 | Terren | Aeroplan | 1 oz | 5 mijë | Bërthamë |
| L3 | RF Signal | Linjë stripline 50Ω | 0.5 oz | 6 mijë | parapreg |
| L4 | Terren | Aeroplan | 1 oz | 8 mijë | Bërthamë |
| ... | simetrik | pasqyrë | ... | ... | ... |
Tabela 2: Shembull i konfigurimit të grumbullimit 5G me 12 shtresa (i pjesshëm) që tregon shtresat e sipërme
7. Konsideratat e Integritetit të Sinjalit
Integriteti i sinjalit në PCB-të 5G përfshin fenomene të shumta të ndërlidhura që mund të degradojnë performancën e sistemit nëse nuk menaxhohen siç duhet. Të kuptuarit e mekanizmave të degradimit të sinjalit dhe teknikave të projektimit "stack-up" që i zbusin ato i ndan projektet funksionale nga ato optimale.
7.1 Mekanizmat e Humbjes së Frekuencës së Lartë
Humbja e sinjalit rritet ndjeshëm me frekuencën për shkak të efekteve të shumëfishta fizike. Humbja dielektrike lind nga polarizimi molekular në materialin e substratit ndërsa fusha elektrike lëkundet në frekuencat RF, dipolet në material përpiqen të rreshtohen me fushën, duke shpërndarë energjinë si nxehtësi. Kjo humbje korrespondon drejtpërdrejt me faktorin e shpërndarjes: dyfishimi i Df afërsisht dyfishon humbjen. Në 28 GHz në standardin FR-4 (Df ≈ 0.020), humbjet dielektrike mund të kalojnë 1.5 dB për inç, ndërsa Rogers RO3003 (Df ≈ 0.001) arrin humbje nën 0.3 dB për inç në kushte identike. Humbja e përçuesit rritet me rrënjën katrore të frekuencës për shkak të efektit të lëkurës, rrymat me frekuencë të lartë përqendrohen pranë sipërfaqeve të përçuesve, duke rritur rezistencën efektive.
7.2 Nëpërmjet Dizajnit për Aplikimet mmWave
Stub-et e viave, pjesa e papërdorur e një vrime që shtrihet përtej shtresës ku del sinjali, krijon struktura rezonante që pasqyrojnë sinjalet në frekuenca specifike. Stubi vepron si një linjë transmetimi me qark të shkurtër, rezonanca e së cilës me një çerek gjatësi vale shkakton reflektim maksimal. Në 28 GHz me një trashësi bordi prej 50 mil, edhe një stub prej 15 mil mund të krijojë rezonanca problematike. Zgjidhjet përfshijnë shpimin e prapavijës për të hequr stub-et ose përdorimin e viave të verbëra/të varrosura që përfundojnë saktësisht në shtresën e sinjalit.
Figura 9 – PCB e shpuar prapa nëpërmjet
Përfundim
Projektimi i suksesshëm i PCB-ve 5G kërkon ekspertizë në disiplina të shumëfishta, si shkenca e materialeve, teoria elektromagnetike, proceset e prodhimit dhe menaxhimi termik. Udhëzimet e paraqitura në këtë artikull, nga përzgjedhja e materialit deri te strategjitë e tokëzimit deri te kontrolli i impedancës, ofrojnë një kornizë gjithëpërfshirëse për krijimin e tensionit të lartë.
dizajne 5G me performancë të lartë.
Rezultatet kryesore përfshijnë:
1. Përzgjedhja e materialit nxit performancën dhe koston, përdorni laminate me frekuencë të lartë aty ku është e nevojshme, FR-4 diku tjetër.
2. Grumbullimet simetrike me plane referimi të duhura janë të panegociueshme. 3. Integriteti i planit të tokëzimit dhe nëpërmjet qepjes përcaktojnë integritetin e sinjalit në mmWave.
4. Kontrolli i impedancës kërkon kontroll të saktë të trashësisë dielektrike dhe verifikim me anë të zgjidhësit të fushës.
5. Bashkëpunimi i hershëm me prodhuesin e PCB-së parandalon ripërdorimet e kushtueshme.
Ndërsa teknologjia 5G vazhdon të evoluojë drejt frekuencave më të larta dhe kompleksitetit më të madh, hapat dhe metodat e përshkruara këtu do të mbeten themelore. Pavarësisht nëse po projektoni produktin tuaj të parë 5G apo po optimizoni një platformë ekzistuese, investimi i kohës në optimizimin e grumbullimit sjell përfitime në performancën e sistemit, rendimentin e prodhimit dhe kohën e daljes në treg.
