【技术分析】5G将如何影响5G天线PCB设计？

PCB是每个电子设备的心脏，其重要性不仅在于它允许各个组件之间的电气连接，还在于它承载数字和模拟信号、高频数据传输信号和电源线。随着5G技术的引入，PCB需要满足哪些新的需求和要求？与4G相比，即将大规模部署的5G网络将迫使设计人员重新思考移动、物联网和电信设备的PCB设计。5G网络将具有高速、宽带宽和低延迟的特点，所有这些都需要仔细的PCB设计以支持新的高频特性。

5G天线PCB设计挑战

与4G网络相比，第五代移动技术将提供10-20倍的传输速率（高达1Gbps）、高达1000倍的流量密度和10倍的每平方公里连接数。5G网络还旨在提供1毫秒的延迟，比4G网络提供的延迟快10倍，并在更宽的频率范围内运行。PCB必须同时支持远高于当前的数据速率和频率，从而将混合信号设计推向极限。虽然4G网络的运行频率均低于6GHz阈值（从600MHz到5.925GHz），但5G网络会将频率上限提高到更高，直至毫米波区域 （mmWave），频带以26GHz频率为中心、30GHz和77GHz。EHF（极高频）频段的使用代表了5G技术给PCB设计人员带来的最困难的挑战之一。毫米波仅通过视线传播，并且当它们遇到建筑物、树叶或恶劣的天气条件（如雨或潮湿）时，会沿途发生强烈衰减。因此，将需要更多的基站来支持5G网络。为了支持如此大量的频率，将需要多个相控阵天线来支持先进的5G功能，例如波束成形。因此，无论是在移动设备上还是在基站上，我们都将拥有一个PCB，该PCB集成了大量天线阵列单元（AAU），并广泛使用了大规模MIMO技术。在图1中，我们可以看到几年前由一家领先的SoC和电信调制解调器设计公司开发的5G设备原型。三个有源天线，尺寸极其紧凑，能够管理5G标准所需的频率，在PCB的顶部和右侧清晰可见。

图1：5G移动设备原型（来源：高通）

除了频率之外，另一个重要的挑战是每个通道的带宽。虽然在4G网络中，信道带宽设置为20MHz（物联网设备限制为200kHz），但在5G网络中，其值已设置为6GHz以下频率的100MHz和6GHz以上频率的400MHz。虽然市场上已经有能够支持这些规格的调制解调器和射频组件，但选择最合适的材料将是PCB设计的基础。由于射频前端将直接集成在PCB上，因此需要具有极低介电传输损耗和极高导热性的材料。对于6GHz以上的频率，用于制造PCB的材料必须适应毫米波频段的特殊基板。

5G 信号频率高、波长短，传统 PCB 材料已难以满足需求。高频高速板材成为首选，如罗杰斯公司的 RO4000 系列板材，具有低介电常数（Dk）和低介质损耗（Df）特性。低 Dk 能减少信号传输过程中的相位延迟，低 Df 则降低信号能量损耗，有效保障 5G 信号在高频下的完整性。同时，在覆铜箔方面，采用高纯度、低粗糙度的铜箔，可降低线路电阻，减少信号传输时的趋肤效应影响，进一步提升信号传输速度与质量。

合理的电路设计是实现高速信号传输的核心。5G 天线线路板设计中，常采用多层板结构，精确控制各层线路的阻抗匹配。例如，通过严格计算与仿真，确保传输线的特性阻抗为 50 欧姆，减少信号反射，保障信号顺利传输。对于高速信号线路，遵循最短路径原则，减少线路弯折，避免出现直角或锐角，防止信号在弯折处产生反射和散射。同时，利用差分信号传输技术，将一对极性相反、大小相等的信号同时传输，有效抑制共模干扰，提升信号的抗干扰能力，确保 5G 信号在复杂电磁环境下也能精准、高速传输。

5G 天线线路板先进的制造工艺是突破技术瓶颈的有力支撑。在 5G 天线 PCB 制造过程中，采用高精度的激光直接成像（LDI）技术，可精确蚀刻出更细、更密的线路，满足 5G 信号高频传输对线路精度的严苛要求，其线路精度可达 ±5μm，极大提升了电路集成度，减少信号传输延迟。在电镀环节，运用先进的化学镀镍浸金工艺，提高线路表面的平整度和抗氧化性，降低信号传输时的接触电阻，保证信号传输的稳定性。此外，借助高精度的层压技术，确保多层板各层之间的对准精度，避免因层间偏移导致信号传输异常。

5G 通信基站采用毫米波天线设计，工作频段为 28GHz，设计中面临着高频信号损耗、阻抗匹配和散热问题。通过选用 Rogers RO5880 材料，其 Dk 为 2.2，Df 为 0.0009，确保了低损耗和高相位稳定性；通过仿真优化微带线参数，确保 28GHz 信号的阻抗匹配，并使用差分对设计减少 EMI；在高功率区域布置导热过孔，并在背面安装散热器，确保长时间工作时的温度稳定性。最终，该设计在实验室测试中表现出优异的信号完整性和热稳定性。

5G 技术的发展深刻影响着天线 PCB 设计，从材料选择到电路设计，再到制造工艺，都需要不断创新与优化，以满足 5G 通信对高速、稳定信号传输的需求。