Mikrowellen-Technik - Wie wirkt sich das Hochfrequenzband von 5G auf die Signalintegrität aus?

Die Betriebsfrequenz von 5G wird viel höher sein als die von 4G, PCB-Designer zwingen, ihre Leiterplatte Konstruktions- und Herstellungsverfahren.
Mit dem Aufkommen von 5G, electrical engineers must reconsider (and sometimes redesign) their PCBs and other infrastructure to support the high frequencies of the new spectrum. Signalintegrität wird das primäre Problem beim Design von 5G-Leiterplatten werden.

5G's position on the electromagnetic spectrum
In this article, Lassen Sie uns die Auswirkungen höherer Frequenzen auf die PCB-Signalintegrität betrachten und Wege zur Linderung dieser Probleme.

Warum ist 5G-Frequenz schlecht für die Signalintegrität?
Im Leiterplattendesign, Eine Erhöhung der Frequenz hat viele unerwünschte Auswirkungen auf die Signalintegrität – insbesondere die Auswirkungen von erhöhtem Rauschen und Dämpfung.

Noise
Regarding noise, Das erste, was zu beachten ist, ist, dass mit zunehmender Systemfrequenz, Signalreflexion wird immer wichtiger. Nach der Theorie der Übertragungsleitung, Die Reflexion hängt direkt mit dem Verhältnis von Übertragungsleitungslänge zu Signalwellenlänge zusammen.

Signal reflection
We also know that the signal wavelength decreases as the frequency increases (λ = v / f). Daher, 5G führt höhere Frequenzen ein, Designer müssen auch die Auswirkungen von Signalreflexionen berücksichtigen, wie Klingeln oder andere Verzerrungen, was mehr Lärm im System verursacht und SNR effektiv reduziert.

Capacitive and inductive coupling
In addition, da Kapazität und Induktivität mit der Wechselrate von Spannung und Strom in Beziehung stehen, jeweils, Die Auswirkungen von kapazitiver Kopplung und induktiver Kopplung werden relevanter. Dies erzeugt auch Rauschen und Verzerrungen, die SNR reduziert.

Attenuation and skin effect
Regarding attenuation, Eine wichtige Überlegung ist der sogenannte Hauteffekt. Es zeigt im Wesentlichen, dass mit zunehmender Frequenz des Signals, die Eindringtiefe des Signals in den Leiter nimmt ab.

Skin effect
The important meaning of the skin effect is that as higher frequencies pass through a smaller area, Sie stoßen auf größeren Widerstand und verursachen größeren IR-Verlust. Dieser Verlust verringert auch die SNR.

Ways to improve SNR in 5G design
In high-speed design, Es gibt viele Faktoren, die die Signalintegrität beeinflussen. Also, Was können Designer von 5G Leiterplatten tun??

Control circuit board impedance
An important step to reduce signal reflection and attenuation is to control the impedance of the circuit board. Eine ordnungsgemäß beendete Verdrahtung und ein gut konzipiertes Impedanzanpassungsnetzwerk sind unerlässlich, um Signalreflexionen zu verhindern und maximale Leistung für das Schaltungsmodul bereitzustellen.
Focus on impedance in manufacturing: mSAP
The impedance control problem can also be solved when manufacturing circuit boards. Das traditionelle Leiterplattenherstellungsverfahren hat den Nachteil, Leiterbahnen mit trapezförmigen Querschnitten zu erzeugen. Diese Querschnitte verändern die Impedanz der Leiterbahn selbst, die 5G-Anwendungen stark einschränkt.
One solution is to use mSAP (semi-additive manufacturing process) technology, die es Herstellern ermöglicht, Leiterbahnen mit höherer Genauigkeit zu erstellen. Die Geometrie des Steuerkreises kann auch helfen, den Hauteffekt und den dadurch verursachten Signalleistungsverlust zu lindern.
Subtraktion und mSAP Prozess. Image courtesy of Proto-Electronics
Place components and traces
When mitigating effects such as coupling, Das Wichtigste ist, Komponenten und Leiterbahnen klug miteinander und mit Masse zu verbinden.. Zum Beispiel, Eine mehrschichtige Leiterplatte mit einer vergrabenen Erdungs- und Leistungsebene kann eine nützliche Lösung sein.
Placing sensitive lines near the ground plane forces capacitive coupling with ground (as opposed to other lines) and provides a low-inductance return path for high-speed signals.
More considerations for 5G design
Although this article does not address an exhaustive list of all issues or solutions, Wir haben einige der fortgeschrittenen Probleme der Signalintegrität in 5G-Frequenzen und mögliche Designlösungen überprüft, um diese Probleme zu lösen.
Offensichtlich, 5G wird Leiterplattentechniker vor Herausforderungen bei der Signalintegrität stellen, weil die frequenzabhängigen Effekte von Lärm und Dämpfung die SNR reduzieren. Für ein erfolgreiches 5G Design, some factors not considered in this article (such as the choice of dielectric and substrate materials) are equally important.