Die vollständigen Frequenzeigenschaften, die Anforderungen an die Hochgeschwindigkeitsübertragung und die komplexe HF-Architektur der 5G-Kommunikation führen dazu, dass die Leiterplatte einer gewöhnlichen FR4-Platine ihre Leistungsanforderungen nicht erfüllen kann. Die Hochfrequenz-Leiterplatte ist die zentrale Hardware-Grundlage für den stabilen Betrieb des 5G-Netzwerks, und das physikalische Prinzip dahinter dreht sich vollständig um das Übertragungsgesetz von Hochfrequenzsignalen.
Die hochfrequenten physikalischen Eigenschaften von 5G-Signalen erfordern PCB-Upgrades
Die Entsprechung zwischen Frequenz und Wellenlänge: 5G deckt die Frequenzbänder Sub-6GHz und FR2-Millimeterwellen (24–40 GHz) ab, und die entsprechende Wellenlänge wird von Zentimeterebene auf Millimeterebene reduziert. Die Führung und die dielektrische Dicke gewöhnlicher Leiterplatten liegen bereits auf dem gleichen Niveau wie die Signalwellenlänge, was leicht zu schwerwiegenden Signalreflexionen und Strahlungsverlusten führen kann.
Die physikalische Obergrenze der Übertragungsrate: Die Spitzenrate eines 5G-Einzelkanals kann 10 Gbit/s oder mehr erreichen, und die Signalanstiegszeit wird erheblich verkürzt. Der verteilte Parametereffekt herkömmlicher Leiterplatten wird stark verstärkt, was direkt zu einer Signal-Timing-Störung und einem vollständigen Schließen des Augendiagramms führt.
Die natürliche Hochverlusteigenschaft von Millimeterwellen: Mit jeder Verdoppelung der Frequenz verdoppelt sich der Übertragungsverlust von Signalen im Medium ungefähr. Der Verlust gewöhnlicher FR4-Karten im Frequenzband über 10 GHz übersteigt das 3-5-fache des Verlusts von Hochfrequenz-Leiterplatten und unterstützt keine HF-Signalübertragung über große Entfernungen.
Physikalische Grundprinzipien von Hochfrequenz-Leiterplatten: niedrige Dielektrizitätskonstante (Dk) und geringer dielektrischer Verlust (Df)
Der physikalische Effekt der Dielektrizitätskonstante (Dk): Die Signalübertragungsrate ist umgekehrt proportional zur Quadratwurzel der Dielektrizitätskonstante des Materials. Der Dk-Wert von Materialien wie Rogers und PTFE, die in Hochfrequenz-Leiterplatten verwendet werden, liegt stabil zwischen 2,2-3,5 und liegt damit weit unter den 4,2-4,8 von gewöhnlichem fr4, was die Signalübertragungsverzögerung erheblich reduzieren und die Synchronisierung der Mehrkanal-Signalzeit gewährleisten kann.
Der Kernwert des dielektrischen Verlusts (Df): Der Df-Wert von Hochfrequenz-Leiterplatten liegt im Allgemeinen unter 0,005, und einige Materialien mit extrem geringem Verlust können bis zu 0,001 betragen. Im Millimeterwellen-Frequenzband kann der Signalverlust der Einheit Zoll auf innerhalb von 0,3 dB kontrolliert werden, wodurch eine große Energieabsorption durch das Medium während der Übertragung von HF-Signalen vermieden wird.
Stabilitätsanforderungen für Dk/Df: Der Betriebstemperaturbereich von 5G-Basisstationen umfasst -40 bis 125 Grad, und die Dk-Schwankung von Hochfrequenz-PCB-Materialien beträgt im gesamten Temperaturbereich weniger als oder gleich 0,2, ohne Impedanzdrift aufgrund von Änderungen der Umgebungstemperatur, wodurch die Strahlformungsgenauigkeit großer MIMO-Arrays gewährleistet wird.
Die physikalische zugrunde liegende Logik der kontrollierten Impedanz und Signalintegrität
Strenge Anforderungen an die Impedanzanpassung: Die Impedanztoleranzanforderung für 5G-HF-Verbindungen wird innerhalb von ± 3 % kontrolliert. Hochfrequenz-Leiterplatten ermöglichen eine hochpräzise Impedanzsteuerung des 50-Ω-HF-Routings und des 90-Ω-Differential-Routings durch genaue Steuerung der Dicke und Linienbreite des Mediums, wodurch die Verschlechterung des Stehwellenverhältnisses reduziert und Signalreflexionen in den Sende- und Empfangsverbindungen vermieden werden.
Physisches Design zur Unterdrückung von Signalübersprechen: Die Hochgeschwindigkeits--Serdes-Verbindungsgeschwindigkeit von 5G kann 100 Gbit/s erreichen. Hochfrequenz-Leiterplatten können die Kopplung elektrischer Felder zwischen Leitungen erheblich reduzieren und Signalübersprechen zwischen benachbarten Hochgeschwindigkeitskanälen vermeiden, indem die gesamte Grundebene referenziert und der Verdrahtungsabstand im physischen Design so gesteuert wird, dass er mehr als das Dreifache der Leitungsbreite beträgt.
Anpassung und Optimierung des Skin-Effekts: Der Strom hochfrequenter Signale wird nur in einer dünnen Schicht im Mikrometerbereich auf der Oberfläche des Drahtes konzentriert. Die Hochfrequenz-Leiterplatte verwendet Kupferfolie mit geringer Rauheit, um den Leiterverlust bei hohen Frequenzen um mehr als 40 % zu reduzieren und so eine zusätzliche Signaldämpfung durch den Skin-Effekt zu vermeiden.
Anforderungen an die physikalische Anpassung für 5G Massive MIMO und Phased Array
Anforderungen an die Phasenkonsistenz mehrerer Kanäle: Das große Antennenarray von 5G AAU erfordert, dass die Phasendifferenz von Dutzenden oder sogar Hunderten von HF-Signalen innerhalb von 5 Grad gesteuert wird. Die Materialgleichmäßigkeit und die Routinglängengenauigkeit von Hochfrequenz-Leiterplatten können sicherstellen, dass die Übertragungsverzögerung jedes Signals äußerst konsistent ist, was eine hochpräzise Strahlformung unterstützt.
Der physikalische Strukturvorteil des Hybrid-Stackings: 5G-Basisstationen verwenden im Allgemeinen eine Hybridstruktur aus „Rogers-Hochfrequenz-HF-Schicht + fr4-Digitalschicht“, die nicht nur die verlustarmen Anforderungen von HF-Verbindungen erfüllt, sondern auch die Verdrahtungsdichte und die Herstellungskosten digitaler Schaltkreise ausgleicht. Es ist derzeit die Mainstream-PCB-Lösung für 5G-Makro- und Kleinstationen.
Der physikalische Leitungspfad der Wärmeableitung: Die Wärmeflussdichte von 5G-Verstärkerchips übertrifft die von 4G-Geräten bei weitem. Das hochwärmeleitfähige Substrat von Hochfrequenz-Leiterplatten kann in Kombination mit vergrabenen Metalllöchern und dem Design der Wärmeableitungskanäle die Wärme des HF-Frontends schnell ableiten, wodurch Material-Dk-Drift und Geräteausfälle bei hohen Temperaturen vermieden werden und ein langfristig stabiler Betrieb der Ausrüstung gewährleistet wird.