1. Введення
1.1 Революція 5G та проблеми друкованих плат
Глобальне впровадження бездротової технології 5G являє собою найзначнішу трансформацію в телекомунікаційній інфраструктурі з моменту появи 4G LTE. Вона працює у двох різних діапазонах частот: нижче 6 ГГц для широкого покриття та в діапазоні міліметрових хвиль (mmWave) від 24 до 77 ГГц для надвисокої передачі даних.
Швидкісна передача даних. Мережі 5G вимагають безпрецедентної точності в проектуванні друкованих плат (PCB). На відміну від традиційних застосувань на друкованих платах, системи 5G повинні обробляти частоти сигналів, де навіть мікроскопічні недоліки конструкції можуть призвести до катастрофічного погіршення продуктивності.
Згідно з галузевим аналізом, прогнозується, що світовий ринок інфраструктури 5G до 2027 року перевищить 47.7 мільярда доларів, що призведе до величезного попиту на високопродуктивні рішення для друкованих плат. Це зростання створює як можливості, так і виклики для розробників друкованих плат, які повинні опанувати складний взаємозв'язок між властивостями матеріалів, конфігурацією шарів та поведінкою сигналу на радіочастотах. Перехід від 4G до 5G — це не просто поступове оновлення, воно вимагає фундаментального переосмислення архітектури стека друкованих плат.
Рисунок 1 – частотний спектр з виділеними діапазонами нижче 6 ГГц та міліметровими хвилями
1.2 Критична роль стекового дизайну в продуктивності 5G
Ретельно організоване розташування мідних шарів, діелектричних матеріалів та серцевинних підкладок на друкованій платі слугує основою, від якої залежить цілісність сигналу 5G. На міліметрових хвилях електромагнітна енергія поводиться за принципами, які здаються майже нелогічними для розробників, звичних до низькочастотних застосувань. Довжини хвиль сигналу зменшуються до міліметрового масштабу, що робить
Такі особливості, як перехідні заглушки та розриви траєкторій, які були незначними на частоті 1 ГГц, стають основними джерелами відбиття та втрат сигналу на частоті 28 ГГц.
Правильно спроектований стек друкованих плат 5G повинен одночасно відповідати кільком конкуруючим вимогам: контрольований імпеданс для запобігання відбиттю сигналу, низькі втрати внесення для збереження рівня сигналу, ефективне екранування електромагнітних перешкод (EMI) для запобігання перехресним перешкодам між схемами та надійне управління температурою для розсіювання тепла від енергоємних радіочастотних підсилювачів. Конфігурація стеку безпосередньо впливає на кожен із цих параметрів, що робить її найважливішим рішенням у всьому процесі проектування друкованих плат 5G.
2. Розуміння вимог до друкованих плат 5G
2.1 Частотний спектр та характеристики сигналу 5G
Діапазони нижче 6 ГГц: основа для широкого покриття
Спектр нижче 6 ГГц, що охоплює частоти від 600 МГц до 6 ГГц, являє собою основу покриття 5G. Ці нижчі частоти забезпечують характеристики поширення, необхідні для розгортання мережі великої площі, пропонуючи краще проникнення в будівлі та більший радіус дії порівняно з мм-хвилею. З точки зору проектування друкованих плат, сигнали нижче 6 ГГц створюють помірні проблеми, більш вимогливі, ніж 4G LTE, але менш екстремальні, ніж застосування мм-хвиль.
Діапазони міліметрових хвиль (24-77 ГГц): вимоги до надзвичайної точності Міліметровий хвильовий зв'язок 5G, що працює переважно в діапазонах 24 ГГц, 28 ГГц, 39 ГГц та 77 ГГц, виводить технологію друкованих плат до межі можливостей. На частоті 28 ГГц довжина хвилі в типовому ламінаті Rogers RO4350B (Dk = 3.48) становить лише 5.7 мм. Це означає, що критична резонансна довжина чвертьхвильового шлейфу охоплює лише 1.4 мм. Традиційні наскрізні переходні отвори з металізованим покриттям, які зазвичай залишають шлейфи довжиною 2-3 мм, стають значними паразитними резонаторами, які можуть повністю порушити цілісність сигналу.
Рисунок 2 – Детальне порівняння довжин хвиль із зазначенням фізичних розмірів
2.2 Ключові електричні параметри для стекапів 5G
Кілька електричних параметрів визначають продуктивність друкованих плат 5G, кожен з яких потребує ретельного врахування під час проектування стека. Діелектрична проникність (Dk або εr) визначає швидкість поширення сигналу та контрольовані значення імпедансу. Для застосувань 5G стабільність Dk як на частоті, так і на температурі має першорядне значення. Матеріал, Dk якого змінюється на 5% з залежністю від температури, спричинятиме зміни імпедансу, що генерують відбиття та погіршують цілісність сигналу в прецизійних радіочастотних схемах.
Коефіцієнт діелектричних втрат (Df), який також називають тангенсом кута діелектричних втрат (tan δ), кількісно визначає діелектричні втрати. Стандартний FR-4 демонструє значення Df 0.015-0.020 на частоті 10 ГГц, тоді як високопродуктивні матеріали, такі як Rogers RO3003, досягають 0.0010 на тій самій частоті, що є покращенням у 15-20 разів.
Допуски контролю імпедансу значно звужуються для застосувань 5G. Хоча допуску імпедансу ±10% може бути достатньо для багатьох застосувань, радіочастотні схеми 5G зазвичай вимагають ±5% або жорсткішого контролю.
| Матеріальна | Діелектрик Константа (Dk) | коефіцієнт загасання (Дф) | Найкраще застосування |
| Стандарт FR-4 | 4.2-4.5 на частоті 1 ГГц | 0.015-0.020 | Цифровий, нижче 6 ГГц, некритичний |
| Роджерс RO4350B | 3.48 на 10 ГГц | 0.0037 | РЧ-діапазон нижче 6 ГГц, економічно ефективний мм-хвильовий діапазон |
| Роджерс RO3003 | 3.00 на 10 ГГц | 0.0010 | Високопродуктивні базові станції ммХвильового діапазону |
| RT/duroid 5880 | 2.20 на 10 ГГц | 0.0009 | Фазовані решітки з наднизькими втратами >20 ГГц |
Таблиця 1: Порівняння матеріалів високочастотного ламінату для застосувань на друкованих платах 5G
2.3 Фізичні та теплові вимоги
Для задоволення вимог сучасних радіочастотних приймачів-передавачів, процесорів базової смуги частот, схем керування живленням та пов'язаних з ними цифрових інтерфейсів для друкованих плат 5G зазвичай потрібно 10-16 мідних шарів. Технологія високощільних з'єднань (HDI), що включає мікропереходи діаметром до 0.1 мм, сліпі та приховані перехідні отвори, а також трасування будь-якого шару, стає важливою для досягнення щільності компонентів, якої вимагає системна інтеграція 5G, зберігаючи при цьому контрольований імпеданс сигнальних шляхів.
Термічний регульований режим створює значні труднощі в конструкціях 5G. Підсилювачі потужності в базових станціях можуть розсіювати 50-100 Вт, створюючи локальні гарячі точки, температура яких під час роботи досягає 85-100°C. Підкладка друкованої плати повинна мати достатню теплопровідність (≥1.5 Вт/м·K), щоб розподілити це тепло по всій площі плати та передати його до радіаторів або систем терморегулювання. Стійкість до високих температур, виміряна як відносний тепловий показник (RTI) ≥150°C, забезпечує стабільність матеріалу за тривалих робочих умов.
Виробничі допуски для друкованих плат 5G значно звужуються. Точність реєстрації – точність вирівнювання між мідними шарами – повинна досягати ±75 мкм (±3 міл) або краще для застосувань мм-хвиль, порівняно з ±150 мкм для звичайних конструкцій.
3. Вибір матеріалу для 5G-стеків
3.1 Високочастотні ламінатні матеріали
Матеріали Роджерса: Галузевий стандарт для радіочастотних характеристик
Високочастотні ламінати Rogers Corporation стали фактичним стандартом для друкованих плат 5G, пропонуючи ретельно розроблені діелектричні властивості, які залишаються стабільними в широкому діапазоні частот і температур. Серія RO4000, зокрема RO4350B, забезпечує чудовий баланс між радіочастотними характеристиками та технологічністю. З діелектричною проникністю 3.48 ± 0.05 та коефіцієнтом дисипації 0.0037 на частоті 10 ГГц, RO4350B забезпечує передбачуваний контроль імпедансу, використовуючи стандартні методи обробки FR-4, що не потребує спеціальної обробки отворів або модифікованих параметрів свердління.
Для застосувань, що вимагають ще менших втрат, серія RO3000 забезпечує виняткову продуктивність. RO3003, завдяки своїй керамічно-наповненій конструкції з PTFE, досягає властивостей Df 0.0010 та Dk 3.00, які залишаються надзвичайно стабільними від 10 МГц до 40 ГГц. Цей матеріал чудово підходить для конструкцій підсилювачів потужності базових станцій та інших застосувань, де кожна десята дБ внесених втрат впливає на продуктивність системи. Компроміс полягає у вищих витратах на матеріали (зазвичай у 3-5 разів більше, ніж RO4350B) та більш вимогливих вимогах до виготовлення.
Рисунок 3 – Поперечний розріз ламінованої конструкції Rogers RO4350B, що показує мідну фольгу, смоляну систему та скляне армування
3.2 FR-4 у застосуваннях 5G: розуміння обмежень
Стандарт FR-4 залишається придатним для використання в певних частинах конструкцій 5G, зокрема в секціях цифрової обробки сигналів, мережах розподілу електроенергії та застосуваннях на частотах нижче 6 ГГц, де вимоги до радіочастотних характеристик менш суворі. Сучасний високоякісний FR-4 від таких виробників, як Shengyi, Panasonic та ITEQ, може досягати значень Df 0.012-0.015 на частоті 5 ГГц за умови використання відповідних смоляних систем та скляного армування.
прийнятний для багатьох сигнальних шляхів нижче 6 ГГц.
Однак обмеження FR-4 стають помітними на вищих частотах. Dk матеріалу зазвичай змінюється на ±10% у діапазоні робочих температур (від -40°C до +85°C), порівняно з ±2% для високочастотних ламінатів. Ця варіація призводить до коливань імпедансу, які можуть спричиняти бітові помилки, викликані відбиттям, у високошвидкісних цифрових інтерфейсах та погіршувати продуктивність радіочастотної системи. Крім того, скляне армування FR-4 створює локалізовані коливання ефективного Dk - «ефект переплетення волокон», що стає проблематичним для доріжок, що проходять під косими кутами до скловолоконного малюнку.
3.3 Гібридні стратегії стекування: оптимізація продуктивності та вартості
Гібридні стеки, що поєднують високочастотні ламінати з FR-4, пропонують чудовий підхід до балансування продуктивності та вартості в складних 5G-конструкціях. Стратегія використання серцевини розміщує дорогі матеріали з низькими втратами лише там, де поширюються радіочастотні сигнали, тоді як економічний FR-4 використовується для внутрішніх шарів, що переносять цифрові сигнали, розподіляють живлення та мають механічну підтримку. Типовий гібридний стек може використовувати Rogers RO4350B для двох зовнішніх шарів (L1 та L12 у 12-шаровій конструкції), де розташовані радіочастотні мікросмужкові лінії передачі, а внутрішні шари складаються з сердечників FR-4.
Рисунок 4 – Діаграма поперечного перерізу 12-шарового гібридного стека, що показує зовнішні шари Rogers RO4350B для радіочастотних сигналів
4. Стратегії конфігурації шарів для 5G
4.1 Основні принципи стекування
Перш ніж заглиблюватися в конкретні конфігурації шарів, слід врахувати кілька фундаментальних принципів, що регулюють усі професійні конструкції стеків друкованих плат 5G. Симетрія є найважливішим фактором виробництва: стек має бути збалансований відносно центральної лінії плати, щоб запобігти деформації під час ламінування та термоциклування. Це означає відповідність ваги міді, товщини осердя та кількості препрегів на протилежних сторонах центральної площини. Плата, яка з одного боку містить багато міді, буде вигинатися, як картопляний чіпс, після паяння оплавленням, що є неприйнятним результатом для прецизійних радіочастотних збірок.
Суміжність опорної площини не менш важлива: кожен сигнальний шар повинен мати безперервну площину заземлення або живлення, що безпосередньо прилягає до нього. Це забезпечує зворотний шлях з низькою індуктивністю, необхідний для високочастотних сигналів, одночасно екрануючи сигнальний шар від перешкод.
Спарювання шарів передбачає групування сигнальних шарів за функцією та електричними вимогами. Високошвидкісні диференціальні пари повинні маршрутизуватися на одному шарі, а узгодження довжини досягається за допомогою серпантинної трасування, а не розділення пар між шарами. Шари радіочастотних сигналів зазвичай займають зовнішні шари, де їх можна реалізувати як мікросмужкові лінії передачі, що забезпечує легкий доступ для налаштування та налагодження.
4.2 8-шарове стекування: відправна точка для проектів 5G
8-шарова структура представляє мінімальну практичну кількість шарів для базових застосувань 5G, таких як пристрої Інтернету речей, малі стільникові радіостанції або прості радіочастотні модулі нижче 6 ГГц. Хоча вона обмежена порівняно з більшою кількістю шарів, добре спроектована 8-шарова структура може ефективно підтримувати помірно складні конструкції з ретельною дисципліною трасування та розміщення компонентів.
Рекомендована 8-шарова конфігурація:
∙ Шар 1: РЧ-сигнал та критична високошвидкісність (мікросмужковий, 50 Ом)
∙ Шар 2: Площина землі (основний зворотний шлях радіочастотного сигналу)
∙ Рівень 3: Високошвидкісні цифрові сигнали (смужкова лінія, диференціальний сигнал 50 Ом або 100 Ом) ∙ Рівень 4: Площина живлення (розділення +3.3 В, +1.8 В)
∙ Шар 5: Площина живлення (дзеркальна: +3.3 В, +1.8 В розділена)
∙ Рівень 6: Високошвидкісні цифрові сигнали (смужкова лінія, ортогональна до L3)
∙ Шар 7: Площина землі (вторинний зворотний шлях)
∙ Шар 8: РЧ-сигнал та критична високошвидкісність (мікросмужковий, 50 Ом)
Така конфігурація забезпечує симетрію (L1-L2-L3-L4 відображають L8-L7-L6-L5), гарантує, що кожен сигнальний шар має суміжну опорну площину, а площини живлення розміщуються в центрі, де їхня ємність найкраще забезпечує розв'язку. Типові товщини діелектрика можуть бути: L1-L2 = 6 міл (RO4350B для ВЧ), L2-L3 = 8 міл (серцевина), L3-L4 = 14 міл (препрег), L4-L5 = 20 міл (серцевина), дзеркально симетрично до L8.
4.3 12-шарове стекування: Розширені застосування 5G
Для складних модулів базових станцій систем 5G, масивних антенних решіток MIMO або висококласних смартфонів 12-шарове стекування забезпечує щільність маршрутизації та цілісність сигналу, необхідні для оптимальних результатів. Додаткові шари дозволяють...
повна ізоляція радіочастотної, цифрової та силової секцій, а також забезпечення кількох заземлювальних площин для кращого екранування.
Оптимізована 12-шарова конфігурація для mmWave:
∙ Шар 1: РЧ-сигнал, шар A (живлення антени ммХвильового діапазону, мікросмужкові 50Ω) ∙ Шар 2: Площина заземлення A (первинний РЧ-повернення, 1 унція Cu)
∙ Рівень 3: Рівень B радіочастотного сигналу (вторинні радіочастотні тракти, смужкова лінія 50 Ом)
∙ Шар 4: Площина заземлення B (ізоляція та повернення радіочастотних хвиль, 1 унція міді)
∙ Шар 5: Площина живлення A (живлення радіочастот: живлення +5 В PA, 2 унції міді)
∙ Рівень 6: Високошвидкісний цифровий (SerDes, DDR, PCIe смужкова лінія)
∙ Рівень 7: Високошвидкісний цифровий (ортогональна маршрутизація до L6)
∙ Шар 8: Площина живлення B (Цифрове живлення: +3.3 В, +1.8 В, +1.2 В з розщепленнями, 2 мл міді) ∙ Шар 9: Площина заземлення C (цифрове повернення та екранування, 1 мл міді)
∙ Рівень 10: Низькошвидкісні сигнали та маршрутизація (керування, I2C, SPI)
∙ Шар 11: Площина заземлення D (останній захисний шар, 1 унція міді)
∙ Шар 12: Рівень C радіочастотного сигналу (вторинний РЧ, розміщення компонентів, мікросмужкова 50 Ом). Ця конфігурація SGSGPSSPGSGS забезпечує виняткову продуктивність: чотири окремі площини заземлення створюють кілька екрануючих бар'єрів, РЧ-шари повністю ізольовані від шуму цифрової комутації, а маршрутизація РЧ-сигналу по смужковій лінії на L3 забезпечує чудове екранування для чутливих шляхів. Стек підтримує симетрію відносно центральної площини L6-L7.
Рисунок 5 – Детальний поперечний переріз 12-шарового стеку друкованих плат 5G, що показує товщину шарів, вагу міді та співвідношення сигнал/площина
5. Методи заземлення для друкованих плат 5G
5.1 Основи заземлення для високочастотного проектування
На високих частотах земля є не просто точкою відліку нульової напруги, а радше складною електромагнітною структурою, поведінка якої визначає цілісність сигналу. Фундаментальний принцип: високочастотні зворотні струми протікають безпосередньо під пов'язаними з ними сигнальними доріжками, слідуючи шляху мінімального імпедансу. Цей шлях залежить не від опору постійному струму, а від індуктивності. Зворотні струми природно концентруються в області максимального зв'язку магнітного поля з сигнальним провідником.
Скін-ефект на частотах міліметрових хвиль означає, що зворотні струми протікають лише у верхніх кількох сотнях нанометрів поверхні заземлювальної пластини. Це робить обробку поверхні та потенціал окислення напрочуд важливими: потьмяніла мідь має вищий опір радіочастотним випромінюванням, ніж блискуча мідь. З цієї причини багато розробників вибирають обробку поверхні ENIG (безструмове нікелеве занурення в золото) на заземлюваних пластинах у критичних радіочастотних зонах, незважаючи на незначну додаткову індуктивність, яку вносить нікелевий шар.
5.2 Реалізація твердої заземлювальної площини
Безперервна, нерозривна площина заземлення є найважливішою характеристикою будь-якого високочастотного стека друкованих плат. Уявіть собі площину заземлення як ідеально гладку поверхню для зворотних струмів, будь-яка перешкода (порожнеча, щілина, виріз) створює турбулентність, яка випромінює енергію та відбиває сигнали. Для застосувань 5G цілісність площини заземлення не підлягає обговоренню: кожна площина заземлення повинна простягатися від краю до краю плати з мінімальними перервами.
Коли розриви заземлювальної площини стають неминучими, можливо, для розділення аналогової та цифрової секцій або для створення теплового розвантаження навколо монтажних отворів, використовуйте зшивні конденсатори для усунення зазору. Розмістіть конденсатори ємністю 0.1 мкФ або менше з інтервалом 1-2 дюйми вздовж розриву, забезпечуючи короткий зв'язок змінного струму на радіочастотах, зберігаючи при цьому ізоляцію постійного струму. Ніколи не прокладайте високошвидкісні або радіочастотні сигнали через розриви заземлювальної площини; якщо доріжка має перетинати розрив, прокладайте її перпендикулярно, щоб мінімізувати площу петлі, і додайте заземлювальний провід безпосередньо поруч із точкою перетину.
5.3 Методи зшивання та огородження ґрунтом
Зшивання отворів заземлення, тобто стратегічне розташування заземлювальних переходів для з'єднання площин заземлення між шарами, є одним з найважливіших, але часто недооцінених аспектів проектування друкованих плат 5G. На міліметрових хвилях індуктивність навіть короткого заземлення стає значною. Один перехідний отвір діаметром 10 міл через плату товщиною 62 міл демонструє індуктивність приблизно 0.7 нГн, що здається незначним, але на частоті 28 ГГц це відповідає імпедансу приблизно 123 Ом, достатньому для серйозного погіршення високочастотних заземлювальних з'єднань.
Рішення полягає в паралельному з'єднанні матриць перехідних отворів. Використання чотирьох паралельних перехідних отворів зменшує ефективну індуктивність приблизно в 4 рази (враховуючи вплив взаємної індуктивності), доводячи імпеданс з'єднання до більш прийнятних рівнів. Для критично важливих радіочастотних компонентів розмістіть 3-4 заземлювальні перехідні отвори безпосередньо поруч з кожним заземлювальним контактом, підключаючись до найближчого...
тверда площина заземлення. Розмістіть ці переходні отвори якомога ближче до компонента, індуктивність збільшується з довжиною переходного отвору, що робить короткі шляхи важливими.
Рисунок 6 – Вид зверху на друковану плату, що показує схему зшивання навколо
6. Контроль імпедансу в стекапах 5G
6.1 Основи керованого імпедансу
Контрольований імпеданс є основою високошвидкісної передачі та цілісності радіочастотного сигналу. Коли джерело сигналу, шлях передачі та кінцева станція мають однаковий характеристичний імпеданс, енергія повністю передається від джерела до навантаження без відбиттів. Невідповідність імпедансу призводить до того, що частини сигналу відбиваються назад до джерела, створюючи стоячі хвилі, дзвін та міжсимвольні перешкоди, які спотворюють цифрові сигнали та погіршують продуктивність радіочастотної системи.
Для застосувань 5G універсальним стандартом для радіочастотних та мікрохвильових схем став односторонній імпеданс 50 Ом. Це значення виникло в результаті оптимізації між потужністю обробки та втратами в коаксіальних кабелях, а вся екосистема радіочастотних роз'ємів, випробувального обладнання та компонентів передбачає системи з опором 50 Ом. Високий
Цифрові інтерфейси швидкостей зазвичай використовують або 50-омний односторонній (для односторонніх сигналів, таких як тактові генератори), або 100-омний диференціальний імпеданс (для диференціальних пар, таких як MIPI, PCIe та USB).
6.2 Мікросмужкова конфігурація для радіочастотних сигналів
Мікросмужкова доріжка сигналу на зовнішньому шарі плати із заземлювальною площиною на сусідньому внутрішньому шарі являє собою найпоширенішу конфігурацію лінії передачі для радіочастотних схем.
Характеристичний імпеданс мікросмужкової провідності залежить від ширини доріжки (W), висоти над площиною заземлення (H), товщини міді (T) та діелектричної проникності матеріалу підкладки (εr). Для першого порядку наближення ширші доріжки та товстіші діелектрики збільшують імпеданс, тоді як вищі діелектричні проникності зменшують імпеданс.
Приклад розрахунку мікросмужкової доріжки: досягнення опору 50 Ом на Rogers RO4350B товщиною 5 міл (εr = 3.48) з 1 унцією міді вимагає ширини доріжки приблизно 11 міл. Той самий імпеданс на діелектрику товщиною 4 міл вимагає ширини 8.5 міл, що демонструє чутливість до товщини діелектрика.
Рисунок 7 – Схема поперечного перерізу геометрії мікросмужкової лінії передачі
6.4 Диференціальний парний імпеданс для високошвидкісних інтерфейсів
Диференціальна сигналізація, що передає дані як різницю напруги між двома комплементарними сигналами, домінує в сучасних високошвидкісних цифрових інтерфейсах завдяки чудовій завадостійкості та зниженому електромагнітному заваді. Диференціальний імпеданс (Zdiff) залежить як від одностороннього імпедансу кожної траси (Z0), так і від зв'язку між трасами. Для слабозв'язаних трас Zdiff ≈ 2 × Z0. Зі зближенням трас зв'язок збільшується, зменшуючи диференціальний імпеданс нижче цього співвідношення 2:1.
Для диференціального імпедансу 100 Ом (стандарт для більшості високошвидкісних цифрових інтерфейсів) у типових конструкціях використовуються односторонні доріжки опором 50 Ом зі зв'язком, що зменшує диференціальний імпеданс до 100 Ом. У мікросмужкових схемах з торцевими зв'язками для досягнення диференціального опору 100 Ом зазвичай потрібна відстань між доріжками 1.5-2 рази більша за ширину доріжки. Менша відстань збільшує зв'язок і ще більше зменшує диференціальний імпеданс; більша відстань зменшує зв'язок і підвищує диференціальний імпеданс.
| шар | функція | тип | Вага міді | Товщина | Матеріальна |
| L1 | РЧ-сигнал | Мікросмужковий 50 Ом | 0.5 унцій | - | RO4350B |
| L2 | Земля | Літак | 1 унцій | 5 тисяч | Core |
| L3 | РЧ-сигнал | Смужкова лінія 50 Ом | 0.5 унцій | 6 тисяч | Препрег |
| L4 | Земля | Літак | 1 унцій | 8 тисяч | Core |
| ... | Симетричний | Mirror | ... | ... | ... |
Таблиця 2: Приклад 12-шарової конфігурації стекування 5G (частково) із зображенням верхніх шарів
7. Міркування щодо цілісності сигналу
Цілісність сигналу в друкованих платах 5G охоплює численні взаємопов'язані явища, які можуть погіршити продуктивність системи, якщо їх не керувати належним чином. Розуміння механізмів погіршення сигналу та методів проектування стеків, які їх пом'якшують, відрізняє функціональні конструкції від оптимальних.
7.1 Механізми втрат на високій частоті
Втрати сигналу різко зростають з частотою через численні фізичні ефекти. Діелектричні втрати виникають через молекулярну поляризацію в матеріалі підкладки, коли електричне поле коливається на радіочастотах, диполі в матеріалі намагаються вирівнятися з полем, розсіюючи енергію у вигляді тепла. Ці втрати безпосередньо корелюють з коефіцієнтом дисипації: подвоєння Df приблизно подвоює втрати. На частоті 28 ГГц у стандартному FR-4 (Df ≈ 0.020) діелектричні втрати можуть перевищувати 1.5 дБ на дюйм, тоді як Rogers RO3003 (Df ≈ 0.001) досягає втрат нижче 0.3 дБ на дюйм за ідентичних умов. Втрати в провіднику зростають з квадратним коренем з частоти через скін-ефект: високочастотні струми концентруються поблизу поверхонь провідника, збільшуючи ефективний опір.
7.2 Конструкція переходних отворів для застосувань мм-хвиль
Перехідні отвори (відступи) – це невикористана частина наскрізного отвору, яка простягається повз шар, звідки виходить сигнал, і створює резонансні структури, що відбивають сигнали на певних частотах. Перехідний отвір діє як короткозамкнена лінія передачі, чвертьхвильовий резонанс якої викликає максимальне відбиття. На частоті 28 ГГц з товщиною плати 50 міл навіть перехідний отвір товщиною 15 міл може створювати проблематичні резонанси. Рішення включають зворотне свердління для видалення перехідних отворів або використання глухих/закопаних перехідних отворів, які закінчуються точно на сигнальному шарі.
Рисунок 9 – Зворотний перфорований вивід на друкованій платі
Висновок
Успішне проектування стека друкованих плат 5G вимагає знань у кількох дисциплінах, тобто матеріалознавстві, електромагнітній теорії, виробничих процесах та управлінні температурою. Рекомендації, представлені в цій статті, від вибору матеріалів до стратегій заземлення та контролю імпедансу, забезпечують комплексну основу для створення високоякісних матеріалів.
високопродуктивні конструкції 5G.
Основні результати включають:
1. Вибір матеріалу впливає на продуктивність та вартість: використовуйте високочастотні ламінати там, де це необхідно, та FR-4 в інших випадках.
2. Симетричне розташування елементів з відповідними опорними площинами є необхідним. 3. Цілісність заземлювальної площини та зшивання переходних отворів визначають цілісність сигналу на міліметровій хвилі.
4. Контроль імпедансу вимагає точного контролю товщини діелектрика та перевірки польового розв'язувача.
5. Рання співпраця з виробником друкованих плат запобігає дороговартісному повторному розпаюванню.
Оскільки технологія 5G продовжує розвиватися в напрямку вищих частот та більшої складності, кроки та методи, описані тут, залишатимуться фундаментальними. Незалежно від того, чи ви розробляєте свій перший продукт 5G, чи оптимізуєте існуючу платформу, інвестування часу в оптимізацію стеку приносить дивіденди в продуктивності системи, виробничій прибутковості та часі виходу на ринок.
