5G 通信の完全な周波数特性、高速伝送要件、複雑な RF アーキテクチャにより、通常の fr4 ボードの PCB はその性能要件を満たすことができないことがわかります。{0}高周波PCBボードは、5Gネットワークの安定した動作のためのコアハードウェア基盤であり、その背後にある物理原理は完全に高周波信号の伝送法則を中心に展開しています。
5G 信号の高周波物理特性により PCB のアップグレードが必要となる
周波数と波長の対応：5GはSub-6GHzとFR2ミリ波（24～40GHz）の周波数帯をカバーしており、対応する波長はセンチメートルレベルからミリメートルレベルに短縮されています。通常のプリント基板の配線と誘電体の厚さはすでに信号波長と同じレベルにあるため、重大な信号反射や放射損失が容易に発生する可能性があります。
伝送速度の物理的な上限: 5G シングルチャネルのピーク速度は 10 Gbps 以上に達し、信号の立ち上がり時間が大幅に短縮されます。従来の PCB の分散パラメータ効果は急激に増幅され、信号タイミングの乱れやアイ ダイアグラムの完全な閉鎖に直接つながります。
ミリ波の自然な高損失特性: 周波数が 2 倍になるごとに、媒体内の信号の伝送損失は約 2 倍になります。 10GHz を超える周波数帯域における通常の fr4 基板の損失は、高周波プリント基板の 3-5 倍を超えます。-、長距離の RF 信号伝送には対応できません。
高周波 PCB の中核となる物理原理: 低誘電率 (Dk) と低誘電損失 (Df)
誘電率 (Dk) の物理的効果: 信号伝送速度は、材料の誘電率の平方根に反比例します。高周波プリント基板に使用されるロジャースや PTFE などの材料の Dk 値は 2.2-3.5 の間で安定しており、通常の fr4 の 4.2 ～ 4.8 よりもはるかに低く、信号伝送遅延を大幅に低減し、マルチチャンネル信号のタイミング同期を確保できます。
誘電損失 (Df) のコア値: 高周波プリント基板の Df 値は一般に 0.005 未満であり、一部の超低損失材料では 0.001 に達することもあります。-ミリ波周波数帯域では、単位インチの信号損失を 0.3dB 以内に制御でき、RF 信号の送信中に媒体による大量のエネルギー吸収を回避できます。
Dk/Df の安定性要件: 5G 基地局の動作温度範囲は、-40 度～125 度をカバーし、高周波 PCB 材料の Dk 変動は全温度範囲で 0.2 以下であり、環境温度の変化によるインピーダンス ドリフトがなく、大規模 MIMO アレイのビームフォーミング精度を保証します。-
制御されたインピーダンスと信号整合性の物理的な基礎となるロジック
厳格なインピーダンスマッチング要件: 5G RF リンクのインピーダンス許容差要件は ± 3% 以内に制御されます。高周波プリント基板は、媒体の厚さと線幅を正確に制御することで、50 Ω RF ルーティングと 90 Ω 差動ルーティングの高精度インピーダンス制御を実現し、定在波比の劣化を軽減し、送受信リンクでの信号反射を回避します。-
信号クロストークを抑制する物理設計: 5G の高速 Serdes リンク速度は 100 Gbps に達します。{0}高周波プリント基板は、完全なグランドプレーンを参照し、物理設計で配線間隔を線幅の 3 倍以上に制御することで、線間の電界結合を大幅に低減し、隣接する高速チャネル間の信号クロストークを回避できます。{4}}
表皮効果の適応と最適化: 高周波信号の電流は、ワイヤ表面のマイクロメートル レベルの薄層にのみ集中します。{0}高周波 PCB は粗度の低い銅箔を使用し、高周波での導体損失を 40% 以上削減し、表皮効果によるさらなる信号減衰を回避します。
5G Massive MIMO およびフェーズド アレイの物理適応要件
マルチチャネルの位相一貫性要件: 5G AAU の大規模アンテナ アレイでは、数十、場合によっては数百の RF 信号の位相差を 5 度以内に制御する必要があります。{0}高周波 PCB の材料の均一性と配線長の精度により、各信号の伝送遅延が非常に安定していることが保証され、高精度のビームフォーミングがサポートされます。-
ハイブリッド スタッキングの物理構造の利点: 5G 基地局は通常、「ロジャース高周波 RF 層 + fr4 デジタル層」のハイブリッド構造を採用しています。これにより、RF リンクの低損失要件を満たすだけでなく、デジタル回路の配線密度と製造コストのバランスも取れます。これは現在、5G マクロおよび小型ステーション向けの主流の PCB ソリューションです。
熱放散の物理伝導経路: 5G アンプチップの熱流束密度は 4G デバイスの熱流束密度をはるかに上回ります。高周波プリント回路基板の高熱伝導率基板と金属埋め込み穴および放熱チャネル設計を組み合わせることで、RF フロントエンドの熱を迅速に放散することができ、高温での材料の Dk ドリフトやデバイスの故障を回避し、機器の長期安定した動作を確保できます。-