1. Giriş
1.1 5G Devrimi ve PCB Zorlukları
5G kablosuz teknolojisinin küresel olarak yaygınlaşması, 4G LTE'nin ortaya çıkışından bu yana telekomünikasyon altyapısında yaşanan en önemli dönüşümü temsil etmektedir. Geniş kapsama alanı için 6 GHz altı ve ultra yüksek hızlı bağlantı için 24 ila 77 GHz arasında değişen milimetre dalga (mmWave) frekansları olmak üzere iki farklı frekans bandında çalışmaktadır.
5G ağlarında yüksek veri iletimi, baskılı devre kartı (PCB) tasarımında benzeri görülmemiş bir hassasiyet gerektirir. Geleneksel PCB uygulamalarından farklı olarak, 5G sistemleri, mikroskobik tasarım hatalarının bile felaket niteliğinde performans düşüşüne neden olabileceği sinyal frekanslarını işlemek zorundadır.
Sektör analizine göre, küresel 5G altyapı pazarının 2027 yılına kadar 47.7 milyar doları aşması ve yüksek performanslı PCB çözümlerine yönelik büyük bir talep yaratması bekleniyor. Bu büyüme, malzeme özellikleri, katman konfigürasyonu ve radyo frekanslarındaki sinyal davranışı arasındaki karmaşık ilişkiyi kavramak zorunda olan PCB tasarımcıları için hem fırsatlar hem de zorluklar yaratıyor. 4G'den 5G'ye geçiş sadece kademeli bir yükseltme değil, PCB katman mimarisinin temelden yeniden düşünülmesini gerektiriyor.
Şekil 1 – 6 GHz altı ve milimetre dalga bantlarının vurgulandığı frekans spektrumu
1.2 5G Performansında Katman Tasarımının Kritik Rolü
PCB yapısı, bakır katmanların, dielektrik malzemelerin ve çekirdek alt tabakaların dikkatlice düzenlenmiş birleşimi, tüm 5G sinyal bütünlüğünün dayandığı temel görevi görür. Milimetre dalga frekanslarında, elektromanyetik enerji, düşük frekanslı uygulamalara alışkın tasarımcılar için neredeyse sezgisel olmayan prensiplere göre davranır. Sinyal dalga boyları milimetre ölçeğine kadar küçülür, bu da
1 GHz'de önemsiz olan, sinyal iletim yollarındaki kısa devreler ve iz süreksizlikleri gibi özellikler, 28 GHz'de sinyal yansıması ve kaybının başlıca kaynakları haline gelir.
Düzgün tasarlanmış bir 5G PCB katman yapısı, aynı anda birden fazla rakip gereksinimi karşılamalıdır: sinyal yansımalarını önlemek için kontrollü empedans, sinyal gücünü korumak için düşük ekleme kaybı, devreler arasında çapraz etkileşimi önlemek için etkili elektromanyetik girişim (EMI) kalkanı ve güç tüketen RF amplifikatörlerinden ısıyı dağıtmak için sağlam termal yönetim. Katman yapısı konfigürasyonu, bu parametrelerin her birini doğrudan etkiler ve bu da onu tüm 5G PCB tasarım sürecindeki en kritik karar haline getirir.
2. 5G PCB Gereksinimlerini Anlamak
2.1 5G Frekans Spektrumu ve Sinyal Özellikleri
6 GHz Altı Frekans Bantları: Geniş Kapsama Alanının Temeli
600 MHz ile 6 GHz arasındaki frekansları kapsayan 6 GHz altı spektrum, 5G'nin kapsama omurgasını temsil eder. Bu düşük frekanslar, geniş alan ağlarının (WAN) dağıtımı için gerekli yayılım özelliklerini sağlayarak, milimetre dalga (mmWave) teknolojisine kıyasla üstün bina penetrasyonu ve daha uzun menzil sunar. PCB tasarımı açısından bakıldığında, 6 GHz altı sinyaller, 4G LTE'den daha zorlu ancak mmWave uygulamalarından daha az aşırı olan orta düzeyde zorluklar sunar.
mmWave Bantları (24-77 GHz): Aşırı Hassasiyet Gereksinimleri Milimetre dalga 5G, esas olarak 24 GHz, 28 GHz, 39 GHz ve 77 GHz bantlarında çalışarak PCB teknolojisini sınırlarına kadar zorluyor. 28 GHz'de, tipik bir Rogers RO4350B laminatındaki (Dk = 3.48) dalga boyu sadece 5.7 mm'dir. Bu, kritik bir rezonans uzunluğu olan çeyrek dalga boyu çıkıntısının yalnızca 1.4 mm'lik bir alanı kapsadığı anlamına gelir. Genellikle 2-3 mm'lik çıkıntılar bırakan geleneksel kaplamalı delikli geçiş yolları, sinyal bütünlüğünü tamamen yok edebilen önemli parazitik rezonatörler haline gelir.
Şekil 2 – Fiziksel boyutları gösteren ayrıntılı dalga boyu karşılaştırması
2.2 5G Yığın Yapıları için Temel Elektriksel Parametreler
5G PCB performansını belirleyen çeşitli elektriksel parametreler vardır ve bunların her biri katman tasarımı sırasında dikkatlice değerlendirilmelidir. Dielektrik sabiti (Dk veya εr), sinyal yayılım hızını ve kontrollü empedans değerlerini belirler. 5G uygulamaları için, hem frekans hem de sıcaklık boyunca Dk kararlılığı çok önemlidir. Dk değeri sıcaklık üzerinde %5 oranında değişen bir malzeme, yansımalara neden olan ve hassas RF devrelerinde sinyal bütünlüğünü bozan empedans değişimlerine yol açacaktır.
Dağılım faktörü (Df), diğer adıyla kayıp tanjantı (tan δ), dielektrik kayıplarını nicelendirir. Standart FR-4, 10 GHz'de 0.015-0.020 Df değerleri sergilerken, Rogers RO3003 gibi yüksek performanslı malzemeler aynı frekansta 0.0010 değerine ulaşarak 15-20 katlık bir iyileşme sağlar.
5G uygulamaları için empedans kontrol toleransları önemli ölçüde daralmaktadır. Birçok uygulama için ±%10 empedans toleransı yeterli olsa da, 5G RF devreleri genellikle ±%5 veya daha sıkı kontrol gerektirir.
| Malzeme | Dielektrik Sabit (Dk) | Dağılma Faktörü (Df) | En İyi Uygulama |
| FR-4 Standard | 4.2-4.5 @ 1GHz | 0.015-0.020 | Dijital, 6 GHz altı kritik olmayan |
| Rogers RO4350B | 3.48 @ 10GHz | 0.0037 | 6 GHz altı RF, uygun maliyetli mmWave |
| Rogers RO3003 | 3.00 @ 10GHz | 0.0010 | Yüksek performanslı mmWave baz istasyonları |
| RT/duroid 5880 | 2.20 @ 10GHz | 0.0009 | Ultra düşük kayıplı >20 GHz, faz dizili antenler |
Tablo 1: 5G PCB uygulamaları için yüksek frekanslı laminat malzeme karşılaştırması
2.3 Fiziksel ve Termal Gereksinimler
5G PCB'ler, modern RF alıcı-vericilerinin, baz bant işlemcilerinin, güç yönetimi devrelerinin ve ilgili dijital arayüzlerin yoğun yönlendirme gereksinimlerini karşılamak için tipik olarak 10-16 bakır katmanına ihtiyaç duyar. 0.1 mm çap kadar küçük mikrovia'lar, kör ve gömülü via'lar ve her katmanda yönlendirme özelliğine sahip yüksek yoğunluklu ara bağlantı (HDI) teknolojisi, kontrollü empedans sinyal yollarını korurken 5G sistem entegrasyonunun gerektirdiği bileşen yoğunluğunu elde etmek için hayati önem taşır.
5G tasarımlarında termal yönetim önemli zorluklar ortaya koymaktadır. Baz istasyonu uygulamalarındaki güç amplifikatörleri 50-100 watt güç tüketebilir ve çalışma sırasında 85-100°C'ye ulaşan lokal sıcak noktalar oluşturabilir. PCB alt tabakasının, bu ısıyı kart yüzeyine yaymak ve ısı emicilere veya termal yönetim sistemlerine aktarmak için yeterli termal iletkenliğe (≥1.5 W/m·K) sahip olması gerekir. ≥150°C'lik Bağıl Termal İndeks (RTI) olarak ölçülen yüksek sıcaklık direnci, sürekli çalışma koşulları altında malzeme stabilitesini sağlar.
5G PCB'ler için üretim toleransları önemli ölçüde daralmaktadır. Kayıt doğruluğu (bakır katmanlar arasındaki hizalama hassasiyeti), geleneksel tasarımlar için ±150 μm'ye kıyasla, mmWave uygulamaları için ±75 μm (±3 mil) veya daha iyi bir değere ulaşmalıdır.
3. 5G Katmanları İçin Malzeme Seçimi
3.1 Yüksek Frekanslı Laminat Malzemeler
Rogers Materials: RF Performansı için Endüstri Standardı
Rogers Corporation'ın yüksek frekanslı laminatları, geniş frekans ve sıcaklık aralıklarında kararlı kalan, özenle tasarlanmış dielektrik özellikler sunarak 5G PCB uygulamaları için fiili standart haline gelmiştir. RO4000 serisi, özellikle RO4350B, RF performansı ve üretilebilirlik arasında mükemmel bir denge kurmaktadır. 10 GHz'de 3.48 ±0.05 dielektrik sabiti ve 0.0037 kayıp faktörü ile RO4350B, standart FR-4 işleme tekniklerini kullanarak öngörülebilir empedans kontrolü sağlar; özel via işlemleri veya değiştirilmiş delme parametrelerine gerek yoktur.
Daha da düşük kayıp gerektiren uygulamalar için RO3000 serisi olağanüstü performans sunar. Seramik dolgulu PTFE yapısına sahip RO3003, 10 MHz'den 40 GHz'e kadar dikkat çekici derecede tutarlı kalan 0.0010 Df ve 3.00 Dk özelliklerine ulaşır. Bu malzeme, baz istasyonu güç amplifikatörü tasarımlarında ve her ondalık dB'lik ekleme kaybının sistem performansını etkilediği diğer uygulamalarda mükemmeldir. Dezavantajı ise daha yüksek malzeme maliyetleri (tipik olarak RO4350B'nin 3-5 katı) ve daha zorlu üretim gereksinimleridir.
Şekil 3 – Rogers RO4350B laminat yapısının kesit görünümü; bakır folyo, reçine sistemi ve cam takviyesini göstermektedir.
3.2 5G Uygulamalarında FR-4: Sınırlamaları Anlamak
Standart FR-4, özellikle dijital sinyal işleme bölümleri, güç dağıtım ağları ve RF performans gereksinimlerinin daha az katı olduğu 6 GHz altı uygulamalar gibi 5G tasarımlarının belirli kısımları için hala geçerliliğini koruyor. Shengyi, Panasonic ve ITEQ gibi üreticilerin modern yüksek kaliteli FR-4 ürünleri, uygun reçine sistemleri ve cam takviyeleri kullanıldığında 5 GHz'de 0.012-0.015 Df değerlerine ulaşabiliyor.
6 GHz altındaki birçok sinyal yolu için uygundur.
Ancak, FR-4'ün sınırlamaları daha yüksek frekanslarda belirginleşir. Malzemenin Dk değeri, yüksek frekanslı laminatlar için ±%2'ye kıyasla, çalışma sıcaklığı aralığında (-40°C ila +85°C) tipik olarak ±%10 oranında değişir. Bu varyasyon, yüksek hızlı dijital arayüzlerde yansıma kaynaklı bit hatalarına neden olabilen ve RF sistem performansını düşürebilen empedans dalgalanmalarına dönüşür. Ek olarak, FR-4'ün cam takviyesi, etkili Dk'da yerel varyasyonlar yaratır; bu da "fiber dokuma etkisi" olarak adlandırılır ve cam elyaf desenine eğik açılarla çalışan izler için sorun teşkil eder.
3.3 Hibrit Yığınlama Stratejileri: Performans ve Maliyeti Optimize Etme
Yüksek frekanslı laminatları FR-4 ile birleştiren hibrit katmanlar, karmaşık 5G tasarımlarında performans ve maliyet arasında denge kurmak için mükemmel bir yaklaşım sunar. Temel strateji, pahalı düşük kayıplı malzemeleri yalnızca RF sinyallerinin geçtiği yerlere yerleştirirken, dijital sinyalleri, güç dağıtımını ve mekanik desteği taşıyan iç katmanlar için ekonomik FR-4 kullanır. Tipik bir hibrit katman, RF mikroşerit iletim hatlarının bulunduğu dış iki katman (12 katmanlı bir tasarımda L1 ve L12) için Rogers RO4350B'yi ve iç katmanları oluşturan FR-4 çekirdeklerini kullanabilir.
Şekil 4 – RF sinyalleri için Rogers RO4350B dış katmanlarını gösteren 12 katmanlı hibrit istiflemenin kesit diyagramı
4. 5G için Katman Yapılandırma Stratejileri
4.1 Temel Sıralama Prensipleri
Belirli katman konfigürasyonlarına geçmeden önce, tüm profesyonel 5G PCB katman tasarımlarını yöneten birkaç temel prensip vardır. Simetri, en kritik üretim unsuru olarak öne çıkar: Katman dizilimi, laminasyon ve termal döngü sırasında bükülmeyi önlemek için kartın merkez çizgisi etrafında dengelenmelidir. Bu, merkez düzlemin karşıt taraflarında bakır ağırlıklarının, çekirdek kalınlıklarının ve prepreg sayılarının eşleştirilmesi anlamına gelir. Bir tarafında bakırın fazla olduğu bir kart, lehimleme işleminden sonra patates cipsi gibi bükülecektir; bu da hassas RF montajları için kabul edilemez bir sonuçtur.
Referans düzlemine yakınlık da aynı derecede önemlidir: her sinyal katmanının hemen bitişiğinde kesintisiz bir toprak veya güç düzlemi bulunmalıdır. Bu, yüksek frekanslı sinyallerin gerektirdiği düşük endüktanslı geri dönüş yolunu sağlarken aynı zamanda sinyal katmanını parazitlerden korur.
Katman eşleştirme, sinyal katmanlarını işlev ve elektriksel gereksinimlere göre gruplandırmayı içerir. Yüksek hızlı diferansiyel çiftler aynı katmanda yönlendirilmelidir ve uzunluk eşleşmesi, çiftleri katmanlar arasında bölmek yerine serpantin yönlendirme yoluyla sağlanmalıdır. RF sinyal katmanları tipik olarak dış katmanlarda yer alır ve burada mikroşerit iletim hatları olarak uygulanabilir, bu da ayarlama ve hata ayıklama için kolay erişim sağlar.
4.2 8 Katmanlı Yapı: 5G Tasarımları için Giriş Noktası
8 katmanlı bir yapı, IoT cihazları, küçük hücreli radyolar veya basit 6 GHz altı RF modülleri gibi temel 5G uygulamaları için minimum pratik katman sayısını temsil eder. Daha yüksek katman sayılarına kıyasla sınırlı olsa da, iyi tasarlanmış 8 katmanlı bir yapı, dikkatli yönlendirme disiplini ve bileşen yerleşimi ile orta derecede karmaşık tasarımları etkili bir şekilde destekleyebilir.
Önerilen 8 Katmanlı Yapılandırma:
∙ Katman 1: RF Sinyali ve Kritik Yüksek Hızlı (mikroşerit, 50Ω)
∙ Katman 2: Topraklama Düzlemi (birincil RF dönüş yolu)
∙ Katman 3: Yüksek Hızlı Dijital Sinyaller (şerit hat, 50Ω veya 100Ω diferansiyel) ∙ Katman 4: Güç Düzlemi (+3.3V, +1.8V bölünmüş)
∙ Katman 5: Güç Düzlemi (aynalı: +3.3V, +1.8V bölünmüş)
∙ Katman 6: Yüksek Hızlı Dijital Sinyaller (şerit hat, L3'e dik)
∙ Katman 7: Topraklama Düzlemi (ikincil dönüş yolu)
∙ Katman 8: RF Sinyali ve Kritik Yüksek Hızlı (mikroşerit, 50Ω)
Bu konfigürasyon simetri sağlar (L1-L2-L3-L4, L8-L7-L6-L5'i yansıtır), her sinyal katmanının bitişik bir referans düzlemine sahip olmasını sağlar ve güç düzlemlerini, kapasitanslarının en iyi şekilde ayrışmaya hizmet ettiği merkeze yerleştirir. Tipik dielektrik kalınlıkları şunlar olabilir: L1-L2 = 6 mil (RF için RO4350B), L2-L3 = 8 mil (çekirdek), L3-L4 = 14 mil (prepreg), L4-L5 = 20 mil (çekirdek), L8'e simetrik olarak yansıtılmıştır.
4.3 12 Katmanlı Yapı: Gelişmiş 5G Uygulamaları
Gelişmiş 5G sistemleri için, baz istasyonu modülleri, büyük MIMO anten dizileri veya üst düzey akıllı telefonlar için 12 katmanlı bir yapı, optimum sonuçlar için gereken yönlendirme yoğunluğunu ve sinyal bütünlüğü performansını sağlar. Ek katmanlar,
RF, dijital ve güç bölümlerinin tamamen izole edilmesi ve üstün koruma için birden fazla topraklama düzleminin sağlanması.
mmWave için Optimize Edilmiş 12 Katmanlı Yapılandırma:
∙ Katman 1: RF Sinyal Katmanı A (mmWave anten beslemeleri, mikroşerit 50Ω) ∙ Katman 2: Topraklama Düzlemi A (birincil RF dönüşü, 1 oz Cu)
∙ Katman 3: RF Sinyal Katmanı B (ikincil RF yolları, şerit hat 50Ω)
∙ Katman 4: Topraklama Düzlemi B (RF izolasyonu ve geri dönüş, 1 oz Cu)
∙ Katman 5: Güç Düzlemi A (RF gücü: +5V PA beslemesi, 2 oz Cu)
∙ Katman 6: Yüksek Hızlı Dijital (SerDes, DDR, PCIe şerit hattı)
∙ Katman 7: Yüksek Hızlı Dijital (L6'ya dik yönlendirme)
∙ Katman 8: Güç Düzlemi B (Dijital güç: +3.3V, +1.8V, +1.2V ayrıştırmaları, 2 oz Cu) ∙ Katman 9: Topraklama Düzlemi C (dijital dönüş ve koruma, 1 oz Cu)
∙ Katman 10: Düşük Hızlı Sinyaller ve Yönlendirme (kontrol, I2C, SPI)
∙ Katman 11: Topraklama Düzlemi D (son koruma katmanı, 1 oz Cu)
∙ Katman 12: RF Sinyal Katmanı C (ikincil RF, bileşen yerleşimi, mikroşerit 50Ω) Bu SGSGPSSPGSGS konfigürasyonu olağanüstü performans sağlar: dört ayrı topraklama düzlemi çoklu koruma bariyerleri oluşturur, RF katmanları dijital anahtarlama gürültüsünden tamamen izole edilir ve L3 üzerindeki şerit hatlı RF yönlendirmesi hassas yollar için mükemmel koruma sunar. Katman dizilimi, L6-L7 merkez düzlemi etrafında simetriyi korur.
Şekil 5 – Katman kalınlıklarını, bakır ağırlıklarını ve sinyal/düzlem konumlarını gösteren 12 katmanlı 5G PCB yığın yapısının ayrıntılı kesiti.
5. 5G PCB'ler için Topraklama Teknikleri
5.1 Yüksek Frekanslı Tasarım için Temel Topraklama Prensipleri
Yüksek frekanslarda, toprak sadece sıfır voltajlı bir referans noktası değil, sinyal bütünlüğü performansını belirleyen karmaşık bir elektromanyetik yapıdır. Temel prensip şudur: Yüksek frekanslı geri dönüş akımları, ilişkili sinyal izlerinin hemen altından, minimum empedans yolunu izleyerek akar. Bu yol, DC direncine değil, endüktansa bağlıdır ve geri dönüş akımları doğal olarak sinyal iletkeniyle maksimum manyetik alan etkileşiminin olduğu bölgede yoğunlaşır.
Milimetre dalga frekanslarında yüzey etkisi, geri dönüş akımlarının yalnızca toprak düzleminin yüzeyinin ilk birkaç yüz nanometresinde akması anlamına gelir. Bu durum, yüzey kalitesini ve oksidasyon potansiyelini şaşırtıcı derecede önemli kılar; kararmış bakır, parlak bakırdan daha yüksek RF direncine sahiptir. Bu nedenle, birçok tasarımcı, nikel tabakasının getirdiği hafif ek endüktansa rağmen, kritik RF alanlarındaki toprak düzlemlerinde ENIG (Elektrolizsiz Nikel Daldırma Altın) yüzey kaplamalarını tercih eder.
5.2 Katı Zemin Düzleminin Uygulanması
Sürekli ve kesintisiz bir topraklama düzlemi, herhangi bir yüksek frekanslı PCB katmanının en önemli özelliğini temsil eder. Topraklama düzlemini, geri dönüş akımlarının akması için mükemmel derecede pürüzsüz bir göl yüzeyi olarak düşünün; herhangi bir engel (boşluk, yarık, kesik) enerji yayan ve sinyalleri yansıtan türbülans yaratır. 5G uygulamaları için topraklama düzlemi bütünlüğü tartışılmazdır: her topraklama düzlemi, minimum kesintiyle kartın kenarından kenarına uzanmalıdır.
Toprak düzlemi bölmeleri kaçınılmaz hale geldiğinde, örneğin analog ve dijital bölümleri ayırmak veya montaj deliklerinin etrafında termal rahatlama sağlamak için, boşluğu kapatmak üzere birleştirme kapasitörleri kullanın. 0.1 μF veya daha küçük kapasitörleri, bölme boyunca 1-2 inç aralıklarla yerleştirin; bu, RF frekanslarında AC kısa devre sağlarken DC izolasyonunu korur. Yüksek hızlı veya RF sinyallerini asla toprak düzlemi bölmelerinden geçirmeyin; bir iz bir bölmeyi geçmek zorundaysa, döngü alanını en aza indirmek için dik olarak yönlendirin ve geçiş noktasına hemen bitişik bir topraklama via'sı ekleyin.
5.3 Dikiş ve Yerden Çit Teknikleri Yoluyla
Katmanlar arasında topraklama düzlemlerini bağlamak için topraklama deliklerinin stratejik yerleştirilmesi, 5G PCB tasarımının en kritik ancak genellikle göz ardı edilen yönlerinden biridir. Milimetre dalga frekanslarında, kısa bir topraklama bağlantısının bile endüktansı önemli hale gelir. 62 mil kalınlığındaki bir karttan geçen tek bir 10 mil çaplı delik, yaklaşık 0.7 nH'lik endüktansa sahiptir; bu görünüşte önemsizdir, ancak 28 GHz'de bu, yaklaşık 123 ohm'luk bir empedansı temsil eder ve yüksek frekanslı topraklama bağlantılarını ciddi şekilde bozmaya yeterlidir.
Çözüm, paralel via dizilerinde yatmaktadır. Dört via'yı paralel olarak kullanmak, etkin endüktansı yaklaşık 4 kat azaltır (karşılıklı endüktans etkilerini hesaba katarak), bağlantı empedansını daha kabul edilebilir seviyelere getirir. Kritik RF bileşenleri için, her topraklama piminin hemen yanına 3-4 topraklama via'sı yerleştirin ve en yakınına bağlayın.
Sağlam zemin düzlemi. Bu geçiş yollarını bileşene mümkün olduğunca yakın yerleştirin; endüktans geçiş yolu uzunluğuyla artar, bu nedenle kısa yollar şarttır.
Şekil 6 – PCB düzeninin üstten görünümü ve çevresindeki via dikiş deseni
6. 5G Yığınlarında Empedans Kontrolü
6.1 Kontrollü Empedans Temelleri
Kontrollü empedans, yüksek hızlı ve RF sinyal bütünlüğünün temelini oluşturur. Bir sinyalin kaynağı, iletim yolu ve sonlandırma noktası aynı karakteristik empedansa sahip olduğunda, enerji kaynaktan yüke yansıma olmadan tamamen aktarılır. Empedans uyumsuzlukları, sinyalin bir kısmının kaynağa doğru geri yansımasına neden olarak, dijital sinyalleri bozan ve RF sistem performansını düşüren durağan dalgalar, salınım ve semboller arası girişim oluşturur.
5G uygulamaları için, 50 ohm tek uçlu empedans, RF ve mikrodalga devreleri için evrensel standart haline gelmiştir. Bu değer, koaksiyel kablolardaki güç taşıma kapasitesi ve kayıp arasındaki optimizasyondan ortaya çıkmıştır ve tüm RF ekosistemi (konnektörler, test ekipmanları, bileşenler) 50 ohm sistemleri varsaymaktadır.
Yüksek hızlı dijital arayüzler tipik olarak ya 50 ohm tek uçlu (saat sinyalleri gibi tek uçlu sinyaller için) ya da 100 ohm diferansiyel empedans (MIPI, PCIe ve USB gibi diferansiyel çiftler için) kullanır.
6.2 RF Sinyalleri için Mikroşerit Konfigürasyonu
Mikroşerit, devre kartının dış katmanında bir sinyal izi ve bitişiğindeki iç katmanda bir toprak düzlemi bulunan, RF devreleri için en yaygın iletim hattı konfigürasyonunu temsil eder.
Mikroşeritlerin karakteristik empedansı, iz genişliğine (W), topraklama düzleminin üzerindeki yüksekliğe (H), bakır kalınlığına (T) ve alt tabaka malzemesinin dielektrik sabitine (εr) bağlıdır. Birinci dereceden bir yaklaşım için, daha geniş izler ve daha kalın dielektrikler empedansı artırırken, daha yüksek dielektrik sabitleri empedansı azaltır.
Örnek mikroşerit hesaplaması: 1 ons bakır ile 5 mil kalınlığında Rogers RO4350B (εr = 3.48) üzerinde 50Ω empedans elde etmek yaklaşık 11 mil iz genişliği gerektirir. 4 mil dielektrik üzerinde aynı empedans için 8.5 mil genişlik gerekir; bu da dielektrik kalınlığına duyarlılığı göstermektedir.
Şekil 7 – Mikroşerit iletim hattı geometrisinin kesit diyagramı
6.4 Yüksek Hızlı Arayüzler için Diferansiyel Çift Empedansı
İki tamamlayıcı sinyal arasındaki voltaj farkı olarak veri ileten diferansiyel sinyalleme, üstün gürültü bağışıklığı ve azaltılmış elektromanyetik girişim (EMI) nedeniyle modern yüksek hızlı dijital arayüzlerde baskın yöntemdir. Diferansiyel empedans (Zdiff), her bir iz hattının tek uçlu empedansına (Z0) ve iz hatları arasındaki bağlantıya bağlıdır. Gevşek bağlı iz hatları için Zdiff ≈ 2 × Z0'dır. İz hatları birbirine yaklaştıkça bağlantı artar ve diferansiyel empedans bu 2:1 oranının altına düşer.
100 ohm diferansiyel empedans (çoğu yüksek hızlı dijital arayüz için standart) için, tipik tasarımlar, diferansiyel empedansı 100 ohm'a düşüren bir kuplajla 50 ohm tek uçlu izler kullanır. Kenar kuplajlı izlere sahip mikroşeritlerde, 100 ohm diferansiyel empedans elde etmek genellikle iz genişliğinin 1.5-2 katı kadar iz aralığı gerektirir. Daha dar aralık, kuplajı artırır ve diferansiyel empedansı daha da düşürür; daha geniş aralık ise kuplajı azaltır ve diferansiyel empedansı yükseltir.
| tabaka | İşlev | Menşei | Bakır Ağırlığı | Kalınlık | Malzeme |
| L1 | RF Sinyal | Mikroşerit 50Ω | 0.5 oz | - | RO4350B |
| L2 | Zemin | Düzlem | 1 oz | 5 bin | çekirdek |
| L3 | RF Sinyal | 50Ω'luk şerit hat | 0.5 oz | 6 bin | prepreg |
| L4 | Zemin | Düzlem | 1 oz | 8 bin | çekirdek |
| ... | Simetrik | Ayna | ... | ... | ... |
Tablo 2: Üst katmanları gösteren örnek 12 katmanlı 5G yığın yapılandırması (kısmi).
7. Sinyal Bütünlüğü Hususları
5G PCB'lerdeki sinyal bütünlüğü, doğru şekilde yönetilmediği takdirde sistem performansını düşürebilecek, birbiriyle ilişkili birçok olguyu kapsar. Sinyal bozulma mekanizmalarını ve bunları azaltan katman tasarım tekniklerini anlamak, işlevsel tasarımları en uygun tasarımlardan ayırır.
7.1 Yüksek Frekans Kayıp Mekanizmaları
Sinyal kaybı, birden fazla fiziksel etki nedeniyle frekansla birlikte önemli ölçüde artar. Dielektrik kayıp, elektrik alanı RF frekanslarında salınırken alt tabaka malzemesindeki moleküler polarizasyondan kaynaklanır; malzemedeki dipoller alanla hizalanmaya çalışarak enerjiyi ısı olarak dağıtır. Bu kayıp, dağılım faktörüyle doğrudan ilişkilidir: Df'nin iki katına çıkması, kaybı yaklaşık olarak iki katına çıkarır. Standart FR-4'te (Df ≈ 0.020) 28 GHz'de dielektrik kayıplar inç başına 1.5 dB'yi aşabilirken, Rogers RO3003 (Df ≈ 0.001) aynı koşullar altında inç başına 0.3 dB'nin altında kayıplar elde eder. İletken kaybı, yüzey etkisi nedeniyle frekansın kareköküyle artar; yüksek frekanslı akımlar iletken yüzeylerine yakın yoğunlaşarak etkin direnci artırır.
7.2 mmWave Uygulamaları için Via Tasarımı
Sinyalin çıktığı katmanın ötesine uzanan ve kullanılmayan delikli via kısımları olan via çıkıntıları, belirli frekanslarda sinyalleri yansıtan rezonans yapıları oluşturur. Bu çıkıntı, çeyrek dalga boyu rezonansı maksimum yansımaya neden olan kısa devre edilmiş bir iletim hattı gibi davranır. 28 GHz'de ve 50 mil kalınlığındaki bir kartta, 15 mil'lik bir çıkıntı bile sorunlu rezonanslar yaratabilir. Çözümler arasında, çıkıntıları ortadan kaldırmak için geri delme veya sinyal katmanında tam olarak sonlanan kör/gömülü via'lar kullanmak yer alır.
Şekil 9 – Arkadan Delinmiş PCB
Sonuç
Başarılı 5G PCB katman yapısı tasarımı, malzeme bilimi, elektromanyetik teori, üretim süreçleri ve termal yönetim gibi birçok disiplinin uzmanlığını gerektirir. Bu makalede sunulan, malzeme seçiminden topraklama stratejilerine ve empedans kontrolüne kadar uzanan kılavuzlar, yüksek performanslı devreler oluşturmak için kapsamlı bir çerçeve sunmaktadır.
5G performans tasarımları.
Başlıca sonuçlar şunlardır:
1. Malzeme seçimi performansı ve maliyeti etkiler; gerektiğinde yüksek frekanslı laminatlar, diğer yerlerde ise FR-4 kullanın.
2. Uygun referans düzlemlerine sahip simetrik katmanlamalar vazgeçilmezdir. 3. Topraklama düzlemi bütünlüğü ve via birleştirme, milimetre dalgada sinyal bütünlüğünü belirler.
4. Empedans kontrolü, hassas dielektrik kalınlık kontrolü ve alan çözücü doğrulaması gerektirir.
5. PCB üreticinizle erken işbirliği yapmak, maliyetli yeniden tasarımların önüne geçer.
5G teknolojisi daha yüksek frekanslara ve daha karmaşık bir yapıya doğru evrilmeye devam ederken, burada özetlenen adımlar ve yöntemler temel olmaya devam edecektir. İster ilk 5G ürününüzü tasarlıyor olun ister mevcut bir platformu optimize ediyor olun, katman optimizasyonuna zaman ayırmak sistem performansı, üretim verimliliği ve pazara sunma süresi açısından büyük faydalar sağlar.
