即將到來的(de) 5G 時代迫使設計人(rén)員對於移動設備和(hé)物(wù)聯網設備的(de) PCB 設計進行重新思考。這些 5G 系統將使大(dà)多(duō)數消費者的(de)設備運行速率達到新高(gāo)度。當我們對電路闆提出通(tōng)信要求時，還需要考慮許多(duō)其他(tā)關鍵因素。
5G 系統要求
預計到 2021 年，將有 30 億台移動設備和(hé)物(wù)聯網設備上線。 隨著這些設備的(de)上線，5G 系統的(de)目標是（相比 4G）：資料速率提高(gāo) 10-20 倍（高(gāo)達 1 Gbps）、流量增加 1000 倍和(hé)每平方公裏的(de)連接增加 10 倍。5G還計畫將延遲降至 1 毫秒，比 4G 網路快(kuài) 10 倍。
相比 4G 和(hé) 3G，5G 無線網路的(de)運行頻率範圍也(yě)將更高(gāo)。移動設備和(hé)網路設備中的(de) PCB 需要同時適應更高(gāo)的(de)數位元資料速率和(hé)頻率，充分(fēn)發揮混合訊號設計的(de)潛能。4G 網路的(de)運行頻率從 600 MHz 到 5.925 GHz 不等，而 5G 網路的(de)頻率上限無疑會達到毫米波頻段。
在 5G 系統中，設計 PCB 的(de)無線通(tōng)訊能力時，每個通(tōng)道的(de)頻寬也(yě)很重要。4G 的(de)通(tōng)道頻寬設置為 20 MHz（物(wù)聯網設備為 200 KHz），5G 的(de)通(tōng)道頻寬設置為低於6 GHz 載波頻率的(de) 100 MHz 和(hé)高(gāo)於 6 GHz 載波頻率的(de) 400 MHz。目前的(de)積體電路可(kě)適應這些設備的(de)高(gāo)速和(hé)高(gāo)頻，然而 PCB 材料在確保 5G 系統的(de)性能方面將發揮重要作用(yòng)。
新的(de) 5G 網路蜂巢塔可(kě)能與圖中大(dà)不相同
5G 系統的(de)材料選擇
設計 5G 系統時，關鍵在於 高(gāo)速 / 高(gāo)頻混合訊號設計。除了(le)標準的(de)高(gāo)速設計規則和(hé)高(gāo)頻 layout 規則之外，對於防止訊號損失和(hé)確保訊號完整性，材料選擇起著重要作用(yòng)。由於這些系統本質上是混合訊號，設計人(rén)員必須防止類比闆和(hé)數位闆這兩部分(fēn)之間產生電磁幹擾，並按照(zhào)聯邦通(tōng)信委員會（FCC）的(de)電磁相容要求設計電路闆。
為了(le)迎接即將到來的(de) 5G 革命，PCB 材料公司已經在開發介電常數比標準 FR4 材料低（約 3）的(de)基闆材料。儘管頻率較高(gāo)，但與聚四氟乙烯(鐵氟龍)層壓闆相比，這些新材料在 5G 無線頻率下(xià)的(de)損耗較小。
對於 PCB 中的(de)處理(lǐ)器和(hé)功率放大(dà)器，5G 系統對其運行速度和(hé)頻率要求高(gāo)，而透過有效的(de)熱管理(lǐ)，可(kě)以最大(dà)程度減少這些器件的(de)輸出變化(huà)。5G 系統中兩個重要的(de)材料特性是熱導率和(hé)熱係數，它們測量的(de)是基闆介電常數隨溫度的(de)變化(huà)。電路運行時或積體電路中產生的(de)熱量會導緻溫度升高(gāo)，進而導緻介電性能逐漸下(xià)降。
第一個參數的(de)重要性顯而易見：熱導率較高(gāo)的(de)基闆容易使運行器件的(de)熱量散發出去，運行速度和(hé)頻率較高(gāo)時，熱導率較高(gāo)的(de)基闆也(yě)是更好的(de)選擇。第二個參數的(de)重要性可(kě)能並不明(míng)顯。介電常數的(de)變化(huà)會引起沿互連線的(de)色散，嚴重的(de)色散會拉伸數字脈衝、改變沿互連線的(de)傳播速度，並在極端情況下(xià)導緻沿傳輸線的(de)訊號反射。
無論我們選擇在 5G 系統中使用(yòng)哪種基闆材料，都需要遵循最佳 PCB 設計實踐，以確保整個互連中阻抗一緻。對於 RF 訊號線，應儘量縮短走線路徑。導體寬度和(hé)間距也(yě)需要嚴格控制，以便使整個互連結構的(de)阻抗保持一緻。
最終，5G 將推動 AR / VR、自動駕駛網路、新型智慧設備以及其他(tā)難以想像的(de)應用(yòng)發展，使之應用(yòng)更為廣泛。Cadence 提供的(de) PCB 設計和(hé)分(fēn)析套裝軟體含全套設計和(hé)模擬工具，可(kě)幫助您設計 5G 系統。Allegro® PCB Designer 套裝軟體具有多(duō)種設計工具，能滿足工程師構建 5G 系統時的(de)需求，包括 RF 設計功能和(hé)互連規劃工具。
譯文授權轉載出處 (映陽科技協同校閱)
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