Während sich 5G-Netze auf dicht besiedelte Gebiete wie städtische Gebäude und Industrieparks ausdehnen, wird der Widerspruch zwischen dem hohen Bandbreitenpotenzial von Millimeterwellen-Frequenzbändern und der Signalabdeckungsfähigkeit allmählich deutlich. Als Schlüsselelement zur Lösung dieses Problems verfügen kleine Millimeterwellen-Basisstationen über eine interne Platine, die für Kernfunktionen wie Signalübertragung und -empfang, Leistungsverstärkung und Frequenzumwandlungsverarbeitung verantwortlich ist. Es ist das „Nervenzentrum“, das die Leistung der Basisstation bestimmt. Diese speziell für das Millimeterwellen-Frequenzband entwickelte Leiterplatte stellt besondere Anforderungen an die Materialauswahl, Prozessgenauigkeit und Leistung und ist daher ein wichtiger Träger für die Weiterentwicklung der 5G-Netzabdeckung.
1, Kernleistungsanforderungen für die Anpassung an Millimeterwelleneigenschaften
Extrem geringer Übertragungsverlust: Signale im Millimeterwellen-Frequenzband (normalerweise über 24 GHz) werden während der Übertragung extrem schnell gedämpft, was hervorragende dielektrische Eigenschaften der Leiterplatte erfordert. Durch den Einsatz spezieller Materialien mit niedrigen Dielektrizitätskonstanten wie Dk-Werten unter 3,0 und geringen dielektrischen Verlusten wie Df-Werten unter 0,002, wie z. B. modifiziertem Polytetrafluorethylen und mit Keramik gefüllten Verbundwerkstoffen, kann der Übertragungsverlust von Signalen in Leiterplattenschaltungen wirksam reduziert werden. Im 28-GHz-Frequenzband kann der Übertragungsverlust pro Zentimeter einer hochwertigen Millimeterwellen-Leiterplatte auf 0,5 dB kontrolliert werden, wodurch sichergestellt wird, dass das Signal nach mehrstufiger Verstärkung und Frequenzumwandlung eine ausreichende Stärke beibehält und den Anforderungen der Nahbereichsabdeckung im Innen- und Außenbereich gerecht wird.
Stabile Hochfrequenzeigenschaften: Millimeterwellensignale reagieren äußerst empfindlich auf Änderungen der physikalischen Parameter der Leiterplatte, und Schwankungen der Umgebungstemperatur und -feuchtigkeit können zu Verschiebungen der Dielektrizitätskonstanten führen und dadurch die Stabilität der Signalübertragung beeinträchtigen. Daher muss die Leiterplatte der kleinen Millimeterwellen-Basisstation ein Substrat mit hohem Wärmeausdehnungskoeffizienten und passender Kupferfolie verwenden, und die Änderungsrate der Dielektrizitätskonstante sollte innerhalb des Arbeitstemperaturbereichs von -40 Grad bis 85 Grad auf ± 2 % kontrolliert werden. Diese Stabilität stellt sicher, dass die Basisstation auch in Computerräumen mit hohen Temperaturen im Sommer oder im Freien im Winter eine stabile Signalübertragungs- und Empfangsqualität aufrechterhalten kann, wodurch Kommunikationsunterbrechungen aufgrund von Abweichungen der Materialeigenschaften vermieden werden.
Effiziente Wärmeableitungsfähigkeit: Kernkomponenten wie Leistungsverstärker und Mischer in kleinen Millimeterwellen-Basisstationen erzeugen während des Betriebs eine große Wärmemenge, und die Hochfrequenzsignalübertragung reagiert besonders empfindlich auf Temperaturänderungen. Die Leiterplatte optimiert die Verteilung der Kupferschichten, richtet eine großflächige Kupfererdungshaut und dedizierte Wärmeableitungskanäle ein und leitet die während des Gerätebetriebs erzeugte Wärme schnell zu den Wärmeableitungsrippen des Basisstationsgehäuses. Unter typischen Arbeitsbedingungen muss die Wärmeleitfähigkeit von Leiterplatten 1,5 W/(m · K) oder mehr erreichen, um sicherzustellen, dass die Sperrschichttemperatur von Leistungsgeräten unter 125 Grad gehalten wird, um Leistungseinbußen oder Geräteschäden durch Überhitzung zu vermeiden.
Antielektromagnetische Interferenzfähigkeit: Die Millimeterwellen-Basisstation verfügt über einen kompakten Innenraum, in dem Komponenten wie Mehrkanal-Signaltransceivermodule und Leistungsmodule dicht angeordnet sind, was sie sehr anfällig für elektromagnetische Interferenzen macht. Durch die Verwendung einer mehrschichtigen Abschirmstruktur trennt die Leiterplatte die HF-Signalschicht, die digitale Steuerschicht und die Leistungsschicht strikt. Gleichzeitig werden neben kritischen Stromkreisen Erdungsabschirmbänder angebracht, um elektromagnetische Störungen unter -80 dB zu unterdrücken. Dieses Design kann Signalübersprechen zwischen verschiedenen Modulen effektiv vermeiden, sicherstellen, dass Millimeterwellensignale in komplexen elektromagnetischen Umgebungen reine Wellenformen beibehalten und die Empfangsempfindlichkeit von Basisstationen verbessern.
2, Durchbruch bei Herstellungsprozessen zur Bewältigung von Hochfrequenzherausforderungen
Hochpräzise Schaltungsbildung: Die Wellenlänge von Millimeterwellensignalen ist extrem kurz, beispielsweise etwa 10,7 Millimeter im 28-GHz-Frequenzband. Die Größenabweichung des Schaltkreises auf der Leiterplatte kann zu Problemen wie Signalreflexion und einem Anstieg des Stehwellenverhältnisses führen. Durch den Einsatz der Laser-Direktbildgebungstechnologie kann die Linienbreitengenauigkeit auf ± 0,01 mm eingestellt werden, die Linienkantenrauheit beträgt weniger als 1 μm und die Genauigkeit der charakteristischen Impedanz von 50 Ω kann auf ± 5 % gesteuert werden. Diese hochpräzise Leitung kann Impedanztransienten während der Signalübertragung reduzieren, das Stehwellenverhältnis (VSWR) senken und die Leistungsübertragungseffizienz der Basisstation auf über 80 % erhöhen.
Mikro-Via-Verarbeitungstechnologie: Um eine zwischenschichtige Signalverbindung von mehrschichtigen Leiterplatten zu erreichen und Interferenzen von Vias mit Hochfrequenzsignalen zu vermeiden, verwenden kleine Millimeterwellen-Basisstations-Leiterplatten häufig das Mikro-Via-Design. Durch Laserbohrtechnologie bearbeitete Sacklöcher mit einem Durchmesser von weniger als 0,1 mm haben glatte und gratfreie Lochwände, wodurch Signalreflexionsverluste am Durchgangsloch reduziert werden können. Bei der Durchgangsloch-Galvanisierung wird ein hochdisperses Kupferbeschichtungsverfahren eingesetzt, um eine gleichmäßige Dicke der Kupferschicht an der Lochwand sicherzustellen (Abweichung kleiner oder gleich 10 %), die Leitfähigkeit und mechanische Festigkeit der Zwischenschichtverbindungen sicherzustellen und Kanalunterbrechungen durch Durchkontaktierungsfehler zu vermeiden.
Optimierung des Oberflächenbehandlungsprozesses: Die HF-Schnittstelle und die Gerätepads der Millimeterwellen-Leiterplatte müssen eine gute Leitfähigkeit und Oxidationsbeständigkeit aufweisen, um Signalverluste an Verbindungspunkten zu reduzieren. Beim stromlosen Vergoldungsverfahren mit Nickel wird die Dicke der Goldschicht auf 0,1 μm oder mehr und die Dicke der Nickelschicht auf 5 μm oder mehr gesteuert, was die Zuverlässigkeit der Lötverbindung gewährleistet und den Kontaktwiderstand an der Schnittstelle verringert. Diese Oberflächenbehandlungsmethode kann die Impedanzdiskontinuität an der Lötstelle zwischen HF-Anschluss und Leiterplatte minimieren und sicherstellen, dass der Reflexionsverlust des Signals an der Schnittstelle weniger als -20 dB beträgt.
3, Unterstützung des Anwendungswerts verschiedener Szenarien
Abdeckung städtischer Gebäude: In großen Gebäuden wie Bürogebäuden und Einkaufszentren ist es für herkömmliche Millimeterwellensignale von Makro-Basisstationen schwierig, Wände zu durchdringen. Die kleine Millimeterwellen-Basisstation, die in Fluren und Decken eingesetzt wird, sorgt aufgrund der verlustarmen Eigenschaften ihrer internen Platine für eine stabile Signalabdeckung in einem Radius von 50 Metern in Innenräumen und unterstützt den Hochgeschwindigkeitszugang für Hunderte von Endgeräten pro Quadratmeter. In solchen Szenarien ist die Anti-Interferenzfähigkeit von Leiterplatten besonders wichtig, da sie die Auswirkungen von elektromagnetischem Rauschen, das von Geräten wie Aufzügen und zentralen Klimaanlagen erzeugt wird, auf Signale vermeiden und so ein reibungsloses Erlebnis für Anwendungen wie Videokonferenzen im Büro und AR-Navigation gewährleisten kann.
Industrieller Fertigungspark: Das industrielle Internet benötigt dringend eine hohe Bandbreite und eine geringe Verzögerung der Millimeterwelle. Kleine Millimeterwellen-Basisstationen übernehmen Aufgaben wie die Echtzeit-Datenübertragung von Geräten und die hochauflösende Bildübertragung von maschinellem Sehen in intelligenten Fertigungsszenen. Die stabilen Hochfrequenzeigenschaften seiner Leiterplatte können eine Übertragungsrate von über 10 Gbit/s in einer starken elektromagnetischen Umgebung gewährleisten, in der mehrere Werkzeugmaschinen gleichzeitig in der Werkstatt arbeiten, und erfüllen damit die Reaktionsanforderungen im Mikrosekundenbereich für Industrieroboter-Steuerungsanweisungen. Gleichzeitig ermöglicht die hohe Temperaturbeständigkeit der Leiterplatte eine Anpassung an die ganzjährige Arbeitsumgebung über 35 Grad in der Werkstatt, wodurch die Häufigkeit der durch hohe Temperaturen verursachten Gerätewartung verringert wird.
Verkehrsknotenpunkt-Szenario: In dicht besiedelten Gebieten wie Flughafenterminals und Hochgeschwindigkeitsbahnhöfen müssen kleine Millimeterwellen-Basisstationen plötzliche massive Konnektivitätsanforderungen bewältigen. Das effiziente Wärmeableitungsdesign der Leiterplatte stellt sicher, dass Leistungsverstärker und andere Komponenten weiterhin stabil arbeiten können, während die Basisstation gleichzeitig Hochgeschwindigkeitsnetzwerkdienste für Tausende von Passagieren bereitstellt, wodurch eine Verschlechterung der Bandbreite durch Überhitzung vermieden wird. Dank seines kompakten Layouts können Basisstationen auch flexibel in engen Räumen wie Säulen und Decken installiert werden, wodurch durch dichten Einsatz eine nahtlose Abdeckung gewährleistet und das Überlastungsproblem herkömmlicher Netzwerke in überfüllten Bereichen gelöst wird.
Intelligente Veranstaltungsortanwendungen: Große Veranstaltungsorte wie Sportstätten und Konzertsäle verzeichnen einen sprunghaften Anstieg des Bandbreitenbedarfs für hochauflösendes Video-Livestreaming, AR-Interaktion mit dem Publikum und andere Dienste während Veranstaltungen. Die verlustarme Übertragungsfähigkeit der Millimeterwellen-Leiterplatte für kleine Basisstationen kann eine Spitzenrate von über 1 Gbit/s für eine einzelne Basisstation unterstützen und erfüllt so den Bedarf von Tausenden von Zuschauern, die gleichzeitig 4K-Videos hochladen. Gleichzeitig stellt die stabile Leistung der Leiterplatte sicher, dass die Bitfehlerrate der Signalübertragung und des Signalempfangs unter 10 ^ -6 liegt, wenn eine große Anzahl drahtloser Geräte gleichzeitig mit der Basisstation verbunden ist, wodurch die reibungslose Übertragung von Live-Bildern und interaktiven Anweisungen in Echtzeit gewährleistet wird.