СВЧ технология - как высокочастотный участок 5G влияет на целостность сигнала?

Рабочая частота 5G будет значительно выше, чем у 4G, что заставит разработчиков печатных плат пересмотреть их конструкцию и методы производства. С появлением 5G инженеры-электрики должны пересмотреть (а иногда и перепроектировать) свои печатные платы и другую инфраструктуру для поддержки высоких частот нового спектра. Целостность сигнала станет главной проблемой при проектировании  печатные платы 5G.

Положение 5G в электромагнитном спектре

В этой статье мы посмотрим, как более высокая частота влияет на Целостность сигналов PCB и как смягчить эти проблемы.

Почему частота 5G вредна для целостности сигнала?

При проектировании печатных плат повышение частоты будет иметь множество нежелательных последствий для целостности сигнала - особенно влияние повышенного шума и затухания.

1. Шум

Что касается шума, то в первую очередь необходимо учитывать, что с повышением частоты системы отражение сигнала становится все более важным. Согласно теории линий передачи, отражение напрямую зависит от отношения длины линии передачи к длине волны сигнала.

2. Отражение сигнала

Мы также знаем, что длина волны сигнала уменьшается с ростом частоты (λ = v / f). Поэтому с появлением в 5G более высоких частот разработчики должны учитывать и эффекты отражения сигнала, такие как звон или другие искажения, которые приведут к увеличению шума в системе и эффективному снижению SNR.

3. Емкостная и индуктивная связь

Кроме того, поскольку емкость и индуктивность связаны со скоростью изменения напряжения и тока соответственно, более актуальными становятся эффекты емкостной и индуктивной связи. При этом также возникают шумы и искажения, что снижает SNR.

4. Затухание и скин-эффект

Что касается затухания, то здесь важным моментом является так называемый скин-эффект. Он заключается в том, что с увеличением частоты сигнала глубина его проникновения в проводник уменьшается.

5. Скин-эффект

Важный смысл скин-эффекта заключается в том, что при прохождении более высоких частот через меньшую площадь они будут встречать большее сопротивление и вызывать большие потери ИК-излучения. Эти потери также снижают SNR.

6. Способы улучшения SNR при проектировании 5G

При проектировании высокоскоростных систем существует множество факторов, влияющих на целостность сигнала. Что же могут сделать разработчики печатных плат 5G?

7. Контроль импеданса печатные платы

Важным шагом для снижения отражения и затухания сигнала является контроль импеданса печатной платы. Правильно заделанная проводка и хорошо спроектированная сеть согласования импеданса необходимы для предотвращения отражений сигнала и обеспечения максимальной мощности модуля схемы.

Фокус на импеданс в производстве: mSAP

Проблема контроля импеданса может быть решена и при изготовлении печатных плат. Традиционный процесс изготовления печатных плат имеет недостаток, заключающийся в создании трасс с трапецеидальным сечением. Такие сечения приводят к изменению импеданса самой трассы, что существенно ограничивает возможности применения 5G.

Одним из решений является использование технологии mSAP (semi-additive manufacturing process), которая позволяет производителям создавать трассы с более высокой точностью. Геометрия управляющей цепи также может помочь ослабить скин-эффект и вызванные им потери мощности сигнала.

8. Процесс вычитания и mSAP. Image courtesy of Proto-Electronics

(1) Размещение компонентов и трасс

При уменьшении таких эффектов, как скин-эффект, самое главное - грамотно соединить компоненты и трассы друг с другом и с землей. Например, полезным решением может стать многослойная печатная плата с заглубленной плоскостью заземления и плоскостью питания.

Размещение чувствительных линий вблизи плоскости заземления обеспечивает емкостную связь с землей (в отличие от других линий) и создает низкоиндуктивный обратный путь для высокоскоростных сигналов.

(2) Дополнительные соображения при проектировании 5G

Хотя в данной статье не рассматривается исчерпывающий перечень всех проблем или решений, мы рассмотрели некоторые из перспективных вопросов целостности сигналов на частотах 5G и возможные проектные решения для их устранения.

Очевидно, что 5G поставит перед разработчиками печатных плат проблемы целостности сигнала, поскольку частотно-зависимые эффекты шума и затухания будут снижать SNR. Для успешного проектирования 5G не менее важны некоторые факторы, не рассмотренные в данной статье (например, выбор материалов диэлектрика и подложки).