В каждом технологическом переходе наступает момент, когда постепенных улучшений уже недостаточно. Для инженеров, занимающихся проектированием печатных плат, таким моментом стало внедрение 5G. Переход от 4G LTE к 5G — это не просто увеличение скорости передачи данных между устройствами. Речь идет о том, как радиочастотная энергия распространяется внутри платы, как плата отводит тепло при работе на высоких частотах и как сохраняется целостность электрического сигнала при передаче данных в миллиметровом диапазоне частот, который практически не использовался в предыдущих поколениях беспроводной связи.
Работа в разных диапазонах 5G — Sub-1 GHz, Sub-6 GHz и mmWave — предъявляет к печатной плате разные требования. То, что хорошо работало в устройствах Wi-Fi и LTE на частотах 2,4 ГГц и 5 ГГц, уже не подходит для миллиметровых схем на 28 ГГц или 39 ГГц. В mmWave-диапазоне сильнее проявляется скин-эффект, диэлектрические потери оказывают гораздо большее влияние на затухание сигнала, а допуски на геометрию линий передачи фактически смещаются в микронный диапазон.
Для инженеров, которые много лет проектировали радиочастотные схемы ниже 10 ГГц, разработка mmWave-плат может ощущаться почти как новая инженерная дисциплина. Физика остается той же и по-прежнему подчиняется уравнениям Максвелла, но практические последствия этих законов становятся намного менее forgiving. В схемах выше 10 ГГц используются более узкие проводники, выбор стек-апа становится более ограниченным, а разница между рабочей конструкцией и платой с неприемлемыми потерями может оказаться очень небольшой.
Выбор подходящего материала
Материал основания — один из наиболее важных факторов при проектировании печатных плат для 5G. На миллиметровых частотах диэлектрические потери, выражаемые через тангенс угла диэлектрических потерь tan δ, становятся одним из главных источников вносимых потерь. Стандартный FR-4 с tan δ примерно 0,020–0,025 на 10 ГГц не подходит для большинства mmWave-приложений, поскольку вызывает слишком большое затухание сигнала даже на коротких трассах.
Для таких задач применяются высокочастотные ламинаты Rogers, Isola, Taconic и других производителей. Их диэлектрики позволяют значительно снизить потери в линии передачи. Например, материал Rogers RO4350B имеет tan δ около 0,0037 на 10 ГГц, диэлектрическую проницаемость Dk 3,48 и допуск Dk ±0,05. Этот допуск особенно важен при проектировании линий с контролируемым импедансом. Для более требовательных mmWave-приложений могут использоваться материалы Rogers RT/duroid 5880 с tan δ около 0,0009 и Dk 2,20, а также Taconic TLY-5 и аналогичные низкопотерные материалы.
Помимо tan δ, при выборе материала необходимо учитывать стабильность Dk при изменении температуры и частоты, влагопоглощение, а также шероховатость медной фольги. На высоких частотах шероховатость меди уже не является второстепенным параметром: она влияет на эффективное сопротивление проводника и может увеличивать потери в линии.
Проектирование стек-апа
При разработке стек-апа печатной платы для 5G нужно учитывать несколько факторов, которые напрямую влияют на характеристики готового изделия: волновое сопротивление, перекрестные наводки, плотность трассировки, количество слоев, толщину диэлектрика между сигнальными и опорными слоями, а также назначение материалов в каждом слое стек-апа.
Микрополосковые линии и заземленные компланарные волноводы, или GCPW, являются одними из наиболее распространенных типов линий передачи для высокочастотных сигналов в mmWave-модулях 5G, антенных трактах и RF front-end-схемах. Микрополосковые линии обычно проще в проектировании и производстве, но они более чувствительны к излучательным потерям, загрязнению поверхности, изменениям производственного процесса и влиянию окружающих структур. GCPW обеспечивает лучшее ограничение электромагнитного поля и более эффективное экранирование, поэтому часто является предпочтительным выбором для плотных высокочастотных плат, где соседние цепи могут улавливать энергию от неэкранированной линии.
Например, микрополосковая линия с волновым сопротивлением 50 Ом на материале RO4350B при толщине диэлектрика 10 mil потребует ширины проводника примерно 22 mil. Если толщину диэлектрика уменьшить до 4 mil, требуемая ширина проводника снизится примерно до 8 mil. Это помогает увеличить плотность трассировки, но одновременно влияет на геометрию переходных отверстий, паразитные параметры переходов и общую стабильность импеданса. Поэтому толщину диэлектрика нельзя выбирать только по удобству трассировки. Ее нужно определять с учетом плотности разводки, геометрии переходных отверстий, длины via stub и паразитной индуктивности переходов между слоями.
Целостность сигнала на миллиметровых частотах
Физическая компоновка платы играет ключевую роль в том, как сигнал распространяется на высоких частотах. Длина волны в свободном пространстве на 28 ГГц составляет примерно 10,7 мм. Однако на печатной плате с Dk около 3,5 эффективная длина волны уменьшается примерно до 5,7 мм. Это означает, что любой переход между топологиями линий передачи, например от GCPW к разъему, нельзя рассматривать как простую механическую деталь. Такой переход необходимо моделировать и оптимизировать с точки зрения электромагнитных характеристик.
Особенно критичны переходы между слоями через vias. Полное сквозное переходное отверстие на 28 ГГц может иметь паразитную индуктивность порядка 0,5–1,5 нГн в зависимости от аспектного отношения, диаметра отверстия, геометрии площадки и окружающей структуры. В сочетании с емкостной составляющей контактной площадки такое отверстие создает рассогласование импеданса. Для улучшения согласования можно уменьшать диаметр площадки, использовать обратное сверление для сокращения длины stub, оптимизировать antipad в слоях питания и земли, а также включать индуктивную компенсацию непосредственно в footprint перехода.
На mmWave-частотах электромагнитное моделирование становится обязательной частью проектирования. Такие инструменты, как Ansys HFSS, Cadence EMX и Keysight Momentum, позволяют строить 3D full-wave-модели критических участков: разъемов, антенных feed points, переходов, фильтров и согласующих структур. Такое моделирование должно быть частью рабочего процесса, а не финальной проверкой после изготовления платы. Гораздо дешевле изменить геометрию в симуляторе, чем перерабатывать уже изготовленный прототип.
Интеграция антенн и питающих сетей антенных решеток
Активные антенные блоки, или AAU, и массивы Massive MIMO являются ключевыми элементами базовых станций 5G. В таких системах функции антенны часто размещаются непосредственно на печатной плате или в непосредственной близости от нее. Отказ от длинных коаксиальных кабелей между антенной и радиомодулем снижает потери в тракте и улучшает контроль фазы и амплитуды при формировании луча. Но это также переносит значительную часть антенных задач на инженеров, проектирующих PCB.
Питающая сеть должна обеспечивать стабильную амплитуду и фазу для всех излучающих элементов массива. Даже фазовая ошибка в несколько градусов может нарушить точность направления луча и увеличить уровень боковых лепестков. Поэтому электрические длины всех путей от делителя мощности до излучающих элементов должны быть согласованы. Это требует геометрической симметрии трассировки, точной компенсации изгибов и контроля длины каждой линии.
Нарушение целостности опорной земли под антенной решеткой — один из частых источников проблем. Любой разрыв в ground plane, вырез в меди, область с измененной диэлектрической структурой или переходная зона может привести к возбуждению нежелательных мод излучения. Одновременно металлические элементы, такие как радиаторы, экраны, корпуса разъемов и крепежные элементы, должны находиться вне критической ближней зоны антенны, чтобы не искажать диаграмму направленности и распределение излучаемой мощности.
Проектирование сети питания для 5G
Усилитель мощности, или PA, в RF front-end-модуле 5G предъявляет жесткие требования к сети питания. Например, PA, работающий на 28 ГГц, с выходной мощностью 23 dBm и эффективностью PAE около 25%, может создавать токовые переходные процессы свыше 1 А на временных интервалах порядка 10 нс. Чтобы обеспечить стабильную работу усилителя, PDN должна удерживать колебания напряжения питания в пределах, заданных производителем PA. Для питания 3,3 В типичным требованием может быть окно около ±50 мВ.
Размещение развязывающих конденсаторов — это не просто заполнение свободного места на плате. Каждый конденсатор эффективно снижает импеданс PDN только в том диапазоне частот, где его установленный импеданс, включая индуктивность площадок, via-индуктивность и собственную ESL корпуса, остается ниже целевого значения. Для диапазонов до нескольких сотен мегагерц часто используются MLCC в корпусах 0402 с очень короткими подключениями к плоскостям питания и земли. На частотах выше 1 ГГц одних дискретных MLCC обычно уже недостаточно; могут потребоваться тонкопленочные конденсаторы, встроенные в подложку или корпус компонента.
Кроме развязывающих конденсаторов и via stitching, на работу PDN существенно влияют резонансы между плоскостями питания и земли. Например, пара плоскостей размером 100 × 100 мм может иметь резонансную частоту порядка 750 МГц, а ее гармоники будут распространяться далеко в гигагерцовый диапазон. Высокоимпедансные пики, возникающие на этих частотах, могут совпадать с частотами коммутации усилителя мощности или их гармониками. Для подавления таких пиков применяют размещение конденсаторов в резонансных узлах, резистивное демпфирование и плотную систему переходных отверстий между опорными плоскостями.
Тепловое управление
Тепловая плотность в RF front-end-платах для 5G может быть очень высокой. Например, активный антенный блок на 64 элемента с выходной мощностью 23 dBm на элемент и эффективностью PA около 25% может рассеивать примерно 19 Вт тепла от массива, что соответствует около 300 мВт/см² при площади апертуры 64 см². Чтобы отводить это тепло без ухудшения RF-характеристик и надежности, тепловое управление необходимо закладывать в архитектуру платы с самого начала проектирования.
Для компонентов с высокой тепловой нагрузкой часто применяются медные вставки, или copper coins. Это массивные медные элементы, которые запрессовываются или встраиваются в плату под наиболее мощными компонентами, когда массив термопереходов уже не обеспечивает достаточный теплоотвод. Copper coins создают прямой проводящий путь через плату и могут обеспечивать тепловое сопротивление от кристалла к плате менее 1 °C/W. Однако их использование усложняет производство и требует внимательного учета различия коэффициентов теплового расширения между медной вставкой и окружающим ламинатом.
Тепловые структуры также нужно оценивать с точки зрения RF-поведения. Например, массивы vias под высокочастотными линиями могут изменить локальные электромагнитные свойства структуры или создать паразитные резонансы. Медные вставки рядом с антенными элементами могут повлиять на диаграмму направленности. Поэтому каждая тепловая структура должна оцениваться не только как элемент теплоотвода, но и как часть общей электромагнитной системы платы.
В заключение
Печатная плата для 5G, которая хорошо выглядит в симуляции, но не может стабильно производиться, еще не является завершенным проектом. DFM для высокочастотных mmWave-плат обычно сложнее, чем DFM для стандартных цифровых плат, а стоимость изготовления прототипов на таких материалах и с такими допусками значительно выше.
Панелизация, размещение технологических отверстий и fiducial marks напрямую влияют на точность совмещения слоев и качество процессов с контролируемой глубиной, например обратного сверления. Поэтому поставщика печатных плат лучше подключать к проекту на ранней стадии. Перед завершением разводки стоит согласовать стек-ап, спецификацию материалов, требования к импедансу и критические производственные допуски. Это один из самых эффективных способов повысить вероятность успешного первого запуска платы в производство.