Les caractéristiques de fréquence complète, les exigences de transmission-à haute vitesse et l'architecture RF complexe de la communication 5G déterminent que le PCB d'une carte fr4 ordinaire ne peut pas répondre à ses exigences de performances. La carte PCB haute fréquence constitue la base matérielle de base pour le fonctionnement stable du réseau 5G, et le principe physique qui la sous-tend tourne entièrement autour de la loi de transmission des signaux haute fréquence.
Les caractéristiques physiques à haute fréquence des signaux 5G obligent à mettre à niveau les PCB
La correspondance entre la fréquence et la longueur d'onde : la 5G couvre les bandes de fréquences des ondes millimétriques inférieures à 6 GHz et FR2 (24-40 GHz), et la longueur d'onde correspondante est réduite du niveau centimétrique au niveau millimétrique. Le routage et l'épaisseur diélectrique d'une carte de circuit imprimé ordinaire sont déjà au même niveau que la longueur d'onde du signal, ce qui peut facilement provoquer de graves réflexions du signal et une perte de rayonnement.
La limite supérieure physique du débit de transmission : le débit de pointe du canal unique 5G peut atteindre 10 Gbit/s ou plus, et le temps de montée du signal est considérablement raccourci. L'effet des paramètres distribués des PCB traditionnels sera fortement amplifié, conduisant directement à un trouble de la synchronisation du signal et à une fermeture complète du diagramme oculaire.
La propriété naturelle de perte élevée des ondes millimétriques : pour chaque doublement de fréquence, la perte de transmission des signaux dans le milieu doublera environ. La perte des cartes fr4 ordinaires dans la bande de fréquence supérieure à 10 GHz dépassera 3-5 fois celle des cartes de circuits imprimés haute-fréquence et ne peut pas prendre en charge la transmission de signaux RF longue distance.
Principes physiques de base des PCB haute fréquence : faible constante diélectrique (Dk) et faible perte diélectrique (Df)
L'effet physique de la constante diélectrique (Dk) : Le taux de transmission du signal est inversement proportionnel à la racine carrée de la constante diélectrique du matériau. La valeur Dk des matériaux tels que Rogers et le PTFE utilisés dans les cartes de circuits imprimés haute fréquence est stable entre 2,2-3,5, bien inférieure à la valeur 4,2-4,8 du fr4 ordinaire, ce qui peut réduire considérablement le délai de transmission du signal et assurer la synchronisation du signal multicanal.
La valeur fondamentale de la perte diélectrique (Df) : la valeur Df des cartes de circuits imprimés à haute -fréquence est généralement inférieure à 0,005, et certains matériaux à très faibles pertes peuvent être aussi faibles que 0,001. Dans la bande de fréquence des ondes millimétriques, la perte de signal unitaire en pouces peut être contrôlée à moins de 0,3 dB, évitant ainsi une grande quantité d'absorption d'énergie par le support pendant la transmission des signaux RF.
Exigences de stabilité pour Dk/Df : la plage de températures de fonctionnement des stations de base 5G couvre -40 degrés ~ 125 degrés, et la fluctuation Dk des matériaux PCB haute -fréquence est inférieure ou égale à 0,2 dans toute la plage de température, sans dérive d'impédance due aux changements de température environnementale, garantissant la précision de formation de faisceau des réseaux MIMO à grande échelle.
La logique physique sous-jacente de l’impédance contrôlée et de l’intégrité du signal
Exigences strictes d'adaptation d'impédance : l'exigence de tolérance d'impédance pour les liaisons RF 5G est contrôlée à ± 3 %. La carte de circuit imprimé haute fréquence permet un contrôle d'impédance de haute -précision du routage RF de 50 Ω et du routage différentiel de 90 Ω en contrôlant avec précision l'épaisseur et la largeur de ligne du support, réduisant ainsi la détérioration du rapport d'onde stationnaire et évitant la réflexion du signal dans les liaisons de transmission et de réception.
Conception physique pour supprimer la diaphonie du signal : la vitesse de la liaison Serdes haut débit de la 5G peut atteindre 100 Gbit/s. Les cartes de circuits imprimés haute fréquence peuvent réduire considérablement le couplage de champ électrique entre les lignes et éviter la diaphonie des signaux entre les canaux adjacents à haute vitesse - en référençant le plan de masse complet et en contrôlant l'espacement des câbles pour qu'il soit plus de trois fois supérieur à la largeur de ligne dans la conception physique.
Adaptation et optimisation de l'effet de peau : le courant des signaux haute fréquence-n'est concentré que dans une fine couche de niveau micrométrique à la surface du fil. Le PCB haute fréquence-utilise une feuille de cuivre à faible rugosité pour réduire la perte de conducteur de plus de 40 % aux hautes fréquences, évitant ainsi une atténuation supplémentaire du signal causée par l'effet cutané.
Exigences d'adaptation physique pour le MIMO massif 5G et les réseaux multiéléments
Exigences de cohérence de phase multicanal : le réseau d'antennes à grande échelle-de l'AAU 5G nécessite que la différence de phase de dizaines, voire de centaines de signaux RF soit contrôlée à moins de 5 degrés. L'uniformité des matériaux et la précision de la longueur de routage des PCB haute-fréquence peuvent garantir que le retard de transmission de chaque signal est très cohérent, prenant en charge une formation de faisceau de haute-précision.
L'avantage de la structure physique de l'empilement hybride : les stations de base 5G adoptent généralement une structure hybride de « couche RF haute fréquence Rogers + couche numérique fr4 », qui non seulement répond aux exigences de faible perte des liaisons RF, mais équilibre également la densité de câblage et le coût de fabrication des circuits numériques. Il s’agit actuellement de la solution PCB dominante pour les macros et petites stations 5G.
Le chemin de conduction physique de dissipation thermique : la densité de flux thermique des puces d’amplificateur 5G dépasse de loin celle des appareils 4G. Le substrat à haute conductivité thermique des cartes de circuits imprimés haute fréquence, combiné à des trous métalliques enterrés et à une conception de canal de dissipation thermique, peut rapidement dissiper la chaleur du frontal RF-, évitant ainsi la dérive Dk du matériau et la défaillance de l'appareil à haute température, et assurant un fonctionnement stable à long terme de l'équipement.