即將到來的 5G 時代迫使設計人員對於移動設備和物聯網設備的 PCB 設計進行重新思考。這些 5G 系統將使大多數消費者的設備運行速率達到新高度。當我們對電路板提出通信要求時，還需要考慮許多其他關鍵因素。
5G 系統要求
預計到 2021 年，將有 30 億台移動設備和物聯網設備上線。 隨著這些設備的上線，5G 系統的目標是（相比 4G）：資料速率提高 10-20 倍（高達 1 Gbps）、流量增加 1000 倍和每平方公里的連接增加 10 倍。5G還計畫將延遲降至 1 毫秒，比 4G 網路快 10 倍。
相比 4G 和 3G，5G 無線網路的運行頻率範圍也將更高。移動設備和網路設備中的 PCB 需要同時適應更高的數位元資料速率和頻率，充分發揮混合訊號設計的潛能。4G 網路的運行頻率從 600 MHz 到 5.925 GHz 不等，而 5G 網路的頻率上限無疑會達到毫米波頻段。
在 5G 系統中，設計 PCB 的無線通訊能力時，每個通道的頻寬也很重要。4G 的通道頻寬設置為 20 MHz（物聯網設備為 200 KHz），5G 的通道頻寬設置為低於6 GHz 載波頻率的 100 MHz 和高於 6 GHz 載波頻率的 400 MHz。目前的積體電路可適應這些設備的高速和高頻，然而 PCB 材料在確保 5G 系統的性能方面將發揮重要作用。
新的 5G 網路蜂巢塔可能與圖中大不相同
5G 系統的材料選擇
設計 5G 系統時，關鍵在於 高速 / 高頻混合訊號設計。除了標準的高速設計規則和高頻 layout 規則之外，對於防止訊號損失和確保訊號完整性，材料選擇起著重要作用。由於這些系統本質上是混合訊號，設計人員必須防止類比板和數位板這兩部分之間產生電磁干擾，並按照聯邦通信委員會（FCC）的電磁相容要求設計電路板。
為了迎接即將到來的 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）的基板材料。儘管頻率較高，但與聚四氟乙烯(鐵氟龍)層壓板相比，這些新材料在 5G 無線頻率下的損耗較小。
對於 PCB 中的處理器和功率放大器，5G 系統對其運行速度和頻率要求高，而透過有效的熱管理，可以最大程度減少這些器件的輸出變化。5G 系統中兩個重要的材料特性是熱導率和熱係數，它們測量的是基板介電常數隨溫度的變化。電路運行時或積體電路中產生的熱量會導致溫度升高，進而導致介電性能逐漸下降。
第一個參數的重要性顯而易見：熱導率較高的基板容易使運行器件的熱量散發出去，運行速度和頻率較高時，熱導率較高的基板也是更好的選擇。第二個參數的重要性可能並不明顯。介電常數的變化會引起沿互連線的色散，嚴重的色散會拉伸數字脈衝、改變沿互連線的傳播速度，並在極端情況下導致沿傳輸線的訊號反射。
無論我們選擇在 5G 系統中使用哪種基板材料，都需要遵循最佳 PCB 設計實踐，以確保整個互連中阻抗一致。對於 RF 訊號線，應儘量縮短走線路徑。導體寬度和間距也需要嚴格控制，以便使整個互連結構的阻抗保持一致。
最終，5G 將推動 AR / VR、自動駕駛網路、新型智慧設備以及其他難以想像的應用發展，使之應用更為廣泛。Cadence 提供的 PCB 設計和分析套裝軟體含全套設計和模擬工具，可幫助您設計 5G 系統。Allegro® PCB Designer 套裝軟體具有多種設計工具，能滿足工程師構建 5G 系統時的需求，包括 RF 設計功能和互連規劃工具。
譯文授權轉載出處 (映陽科技協同校閱)
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