Celotne frekvenčne značilnosti, zahteve za visoko{0}}hitrost prenosa in zapletena RF arhitektura komunikacije 5G določajo, da tiskano vezje običajne plošče fr4 ne more izpolniti zahtev glede zmogljivosti. Visokofrekvenčna plošča tiskanega vezja je osnovna strojna podlaga za stabilno delovanje omrežja 5G, fizični princip za njo pa se v celoti vrti okoli zakona o prenosu visokofrekvenčnih signalov.
Visokofrekvenčne fizične lastnosti signalov 5G zahtevajo nadgradnjo PCB
Ujemanje med frekvenco in valovno dolžino: 5G pokriva milimetrska frekvenčna pasova pod 6 GHz in FR2 (24–40 GHz), ustrezna valovna dolžina pa se zmanjša s centimetrske ravni na milimetrsko. Usmerjanje in debelina dielektrika navadnega tiskanega vezja sta že na isti ravni kot valovna dolžina signala, kar lahko zlahka povzroči resen odboj signala in izgubo sevanja.
Fizična zgornja meja hitrosti prenosa: najvišja hitrost posameznega kanala 5G lahko doseže 10 Gbps ali več, čas vzpona signala pa se močno skrajša. Učinek porazdeljenega parametra tradicionalnega tiskanega vezja bo močno okrepljen, kar bo neposredno vodilo v časovno motnjo signala in popolno zaprtje očesnega diagrama.
Naravna lastnost visokih izgub milimetrskih valov: za vsako podvojitev frekvence se izguba prenosa signalov v mediju približno podvoji. Izguba običajnih plošč fr4 v frekvenčnem pasu nad 10 GHz bo 3-5-krat večja od izgube pri visokofrekvenčnem tiskanem vezju in ne more podpirati prenosa RF signala na dolge razdalje.
Osnovna fizikalna načela visokofrekvenčnega tiskanega vezja: nizka dielektrična konstanta (Dk) in nizka dielektrična izguba (Df)
Fizični učinek dielektrične konstante (Dk): Hitrost prenosa signala je obratno sorazmerna s kvadratnim korenom dielektrične konstante materiala. Vrednost Dk materialov, kot sta Rogers in PTFE, ki se uporabljajo v visokofrekvenčnih tiskanih vezjih, je stabilna med 2,2-3,5, veliko nižja od 4,2-4,8 običajnega fr4, kar lahko znatno zmanjša zakasnitev prenosa signala in zagotovi večkanalno časovno sinhronizacijo signala.
Osnovna vrednost dielektrične izgube (Df): vrednost Df visokofrekvenčnega tiskanega vezja je na splošno manjša od 0,005, nekateri materiali z ultra-nizkimi izgubami pa so lahko celo 0,001. V frekvenčnem pasu milimetrskih valov je mogoče nadzorovati izgubo signala enote palca znotraj 0,3 dB, s čimer se izognemo veliki količini absorpcije energije s strani medija med prenosom RF signalov.
Zahteve glede stabilnosti za Dk/Df: Delovno temperaturno območje baznih postaj 5G pokriva -40 stopinj ~125 stopinj, nihanje Dk visoko-frekvenčnih materialov PCB pa je manjše ali enako 0,2 v celotnem temperaturnem območju, brez premika impedance zaradi okoljskih temperaturnih sprememb, kar zagotavlja natančnost oblikovanja snopa obsežnih nizov MIMO.
Fizična osnovna logika nadzorovane impedance in celovitosti signala
Stroge zahteve za ujemanje impedance: Zahteva za toleranco impedance za povezave 5G RF je nadzorovana v okviru ± 3 %. Visokofrekvenčna tiskana vezja dosegajo visoko{3}}natančen nadzor impedance 50 Ω RF usmerjanja in 90 Ω diferenčnega usmerjanja z natančnim nadzorom debeline in širine črte medija, zmanjšanjem poslabšanja razmerja stoječih valov in izogibanjem odboju signala v oddajnih in sprejemnih povezavah.
Fizična zasnova za zatiranje preslušavanja signala: Visoko{0}}hitrost povezave Serdes 5G lahko doseže 100 Gbps. Visokofrekvenčno tiskano vezje lahko znatno zmanjša sklopitev električnega polja med linijami in se izogne preslušavanju signala med sosednjimi visoko-hitrostnimi kanali tako, da se nanaša na celotno ozemljitveno ravnino in nadzoruje razmik ožičenja, tako da je več kot trikratna širina črte v fizični zasnovi.
Prilagoditev in optimizacija kožnega učinka: tok visokofrekvenčnih-signalov je koncentriran le v tanki mikrometrski plasti na površini žice. Visoko{2}}frekvenčno tiskano vezje uporablja bakreno folijo nizke hrapavosti za zmanjšanje izgube prevodnika za več kot 40 % pri visokih frekvencah, s čimer se izogne dodatnemu slabljenju signala, ki ga povzroči kožni učinek.
Zahteve za fizično prilagoditev za 5G masivni MIMO in fazni niz
Zahteve za večkanalno fazno doslednost: Ve-antenski niz 5G AAU zahteva nadzor nad fazno razliko ducatov ali celo stotin RF signalov znotraj 5 stopinj. Enotnost materiala in natančnost dolžine usmerjanja visoko-frekvenčnega tiskanega vezja lahko zagotovita, da je zakasnitev prenosa vsakega signala zelo dosledna, kar podpira visoko-natančno oblikovanje snopa.
Prednost hibridnega zlaganja v fizični strukturi: bazne postaje 5G na splošno sprejmejo hibridno strukturo "Rogersove visoko-frekvenčne RF plasti + fr4 digitalne plasti", ki ne izpolnjuje le zahtev glede nizkih izgub RF povezav, temveč tudi uravnoteži gostoto ožičenja in proizvodne stroške digitalnih vezij. Trenutno je glavna rešitev PCB za 5G makro in majhne postaje.
Fizična prevodna pot odvajanja toplote: gostota toplotnega toka čipov ojačevalnika 5G daleč presega gostoto naprav 4G. Podlaga z visoko toplotno prevodnostjo visokofrekvenčnih tiskanih vezij v kombinaciji s kovinskimi luknjami in zasnovo kanala za odvajanje toplote lahko hitro odvaja toploto RF sprednjega-kona, s čimer se izogne zanašanju Dk materiala in okvari naprave pri visokih temperaturah ter zagotovi dolgoročno-stabilno delovanje opreme.