Karakteristik frekuensi penuh,-persyaratan transmisi berkecepatan tinggi, dan arsitektur RF yang kompleks pada komunikasi 5G menentukan bahwa PCB papan fr4 biasa tidak dapat memenuhi persyaratan kinerjanya. Papan PCB frekuensi tinggi adalah fondasi perangkat keras inti untuk pengoperasian jaringan 5G yang stabil, dan prinsip fisik di baliknya sepenuhnya berkisar pada hukum transmisi sinyal frekuensi tinggi.
Karakteristik fisik frekuensi tinggi dari sinyal 5G memaksa peningkatan PCB
Korespondensi antara frekuensi dan panjang gelombang: 5G mencakup pita frekuensi gelombang milimeter Sub-6GHz dan FR2 (24-40GHz), dan panjang gelombang yang sesuai dikurangi dari tingkat sentimeter ke tingkat milimeter. Perutean dan ketebalan dielektrik papan sirkuit cetak biasa sudah berada pada level yang sama dengan panjang gelombang sinyal, yang dapat dengan mudah menyebabkan pantulan sinyal yang serius dan kehilangan radiasi.
Batas atas fisik kecepatan transmisi: Kecepatan puncak saluran tunggal 5G dapat mencapai 10Gbps atau lebih, dan waktu kenaikan sinyal sangat dipersingkat. Efek parameter terdistribusi dari PCB tradisional akan diperkuat secara tajam, secara langsung menyebabkan gangguan waktu sinyal dan penutupan diagram mata sepenuhnya.
Sifat alami gelombang milimeter yang kehilangan tinggi: untuk setiap penggandaan frekuensi, kehilangan transmisi sinyal dalam medium akan kira-kira dua kali lipat. Hilangnya papan fr4 biasa pada pita frekuensi di atas 10GHz akan melebihi 3-5 kali lipat papan sirkuit tercetak frekuensi tinggi, dan tidak dapat mendukung transmisi sinyal RF jarak jauh.
Prinsip fisik inti PCB frekuensi tinggi: konstanta dielektrik rendah (Dk) dan kerugian dielektrik rendah (Df)
Efek fisik konstanta dielektrik (Dk): Kecepatan transmisi sinyal berbanding terbalik dengan akar kuadrat konstanta dielektrik material. Nilai Dk bahan seperti Rogers dan PTFE yang digunakan pada papan sirkuit cetak frekuensi tinggi stabil antara 2,2-3,5, jauh lebih rendah daripada 4,2-4,8 fr4 biasa, yang secara signifikan dapat mengurangi penundaan transmisi sinyal dan memastikan sinkronisasi waktu sinyal multi-saluran.
Nilai inti kerugian dielektrik (Df): Nilai Df papan sirkuit cetak frekuensi tinggi umumnya kurang dari 0,005, dan beberapa material dengan kerugian sangat rendah bisa serendah 0,001. Dalam pita frekuensi gelombang milimeter, kehilangan sinyal satuan inci dapat dikontrol dalam 0,3dB, menghindari sejumlah besar penyerapan energi oleh media selama transmisi sinyal RF.
Persyaratan stabilitas untuk Dk/Df: Kisaran suhu pengoperasian stasiun pangkalan 5G mencakup -40 derajat ~125 derajat , dan fluktuasi Dk bahan PCB frekuensi tinggi-kurang dari atau sama dengan 0,2 dalam rentang suhu penuh, tanpa penyimpangan impedansi karena perubahan suhu lingkungan, sehingga memastikan akurasi beamforming dari susunan MIMO skala besar.
Logika fisik yang mendasari impedansi terkontrol dan integritas sinyal
Persyaratan pencocokan impedansi yang ketat: Persyaratan toleransi impedansi untuk tautan RF 5G dikontrol dalam ± 3%. Papan sirkuit tercetak frekuensi tinggi mencapai kontrol impedansi presisi tinggi pada perutean RF 50 Ω dan perutean diferensial 90 Ω dengan mengontrol ketebalan dan lebar garis medium secara akurat, mengurangi penurunan rasio gelombang berdiri dan menghindari pantulan sinyal pada tautan transmisi dan penerimaan.
Desain fisik untuk menekan sinyal crosstalk: Kecepatan-tautan Serdes berkecepatan tinggi pada 5G dapat mencapai 100Gbps. Papan sirkuit tercetak frekuensi tinggi dapat secara signifikan mengurangi penggabungan medan listrik antar saluran dan menghindari persilangan sinyal antara saluran berkecepatan tinggi-berdekatan dengan mereferensikan bidang bumi secara keseluruhan dan mengontrol jarak kabel agar lebih dari tiga kali lebar saluran dalam desain fisik.
Adaptasi dan optimalisasi efek kulit: Arus sinyal-frekuensi tinggi hanya terkonsentrasi pada lapisan tipis tingkat mikrometer pada permukaan kabel. PCB frekuensi-tinggi menggunakan foil tembaga dengan kekasaran rendah untuk mengurangi kehilangan konduktor lebih dari 40% pada frekuensi tinggi, menghindari redaman sinyal tambahan yang disebabkan oleh efek kulit.
Persyaratan adaptasi fisik untuk MIMO masif 5G dan array bertahap
Persyaratan konsistensi fase multisaluran: Susunan antena-skala besar AAU 5G memerlukan perbedaan fase puluhan atau bahkan ratusan sinyal RF agar dapat dikontrol dalam jarak 5 derajat . Keseragaman material dan akurasi panjang perutean PCB frekuensi-tinggi dapat memastikan bahwa penundaan transmisi setiap sinyal sangat konsisten, sehingga mendukung beamforming-presisi tinggi.
Keuntungan struktur fisik dari susunan hibrid: Stasiun pangkalan 5G umumnya mengadopsi struktur hibrid "lapisan RF frekuensi tinggi-Rogers+lapisan digital fr4", yang tidak hanya memenuhi persyaratan kehilangan tautan RF yang rendah, namun juga menyeimbangkan kepadatan kabel dan biaya produksi sirkuit digital. Saat ini merupakan solusi PCB utama untuk stasiun makro dan kecil 5G.
Jalur konduksi fisik pembuangan panas: Kepadatan fluks panas chip amplifier 5G jauh melebihi perangkat 4G. Substrat konduktivitas termal yang tinggi pada papan sirkuit cetak frekuensi tinggi, dikombinasikan dengan lubang logam yang terkubur dan desain saluran pembuangan panas, dapat dengan cepat menghilangkan panas bagian depan RF, menghindari penyimpangan Dk material dan kegagalan perangkat pada suhu tinggi, dan memastikan pengoperasian peralatan yang stabil dalam jangka panjang.