5G系统的PCB材料和设计要求

即将到来的5G时代迫使设计师对于移动设备和物联网设备的PCB设计进行着重新思考。这些5G系统将使大多数消费者的设备运行速率达到新高度。当我们对电路板提出通信要求时，还需要考虑许多其他关键因素。

5G系统要求

预计到2021年，将有30亿台移动设备和物联网设备上线。 随着这些设备的上线，5G系统的目标是（相比4G）：数据速率提高10-20倍（高达1 Gbps）、流量增加1000倍和每平方公里的连接增加10倍。5G还计划将延迟降至1毫秒，比4G网络快10倍。

相比4G和3G，5G无线网络的运行频率范围也将更高。移动设备和网络设备中的PCB需要同时适应更高的数字数据速率和频率，充分发挥混合信号设计的潜能。4G网络的运行频率从600 MHz到5.925 GHz不等，而5G网络的频率上限无疑会达到毫米波频段。

在5G系统中，设计PCB的无线通信能力时，每个信道的带宽也很重要。4G的信道带宽设置为20 MHz（物联网设备为200 KHz），5G的信道带宽设置为低于6 GHz载波频率的100 MHz和高于6 GHz载波频率的400 MHz。目前的集成电路可适应这些设备的高速和高频，然而PCB材料在确保5G系统的性能方面将发挥重要作用。

新的5G网络蜂窝塔可能与图中大不相同

5G系统的材料选择

设计5G系统时，关键在于高速/高频混合信号设计。除了标准的高速设计规则和高频layout规则之外，对于防止信号损失和确保信号完整性，材料选择起着重要作用。由于这些系统本质上是混合信号，设计师必须防止模拟板和数字板这两部分之间产生电磁干扰，并按照联邦通信委员会（FCC）的电磁兼容要求设计电路板。

为了迎接即将到来的5G革命，PCB材料公司已经在开发介电常数比标准FR4材料低（约3）的基板材料。尽管频率较高，但与聚四氟乙烯层压板相比，这些新材料在5G无线频率下的损耗较小。

对于PCB中的处理器和功率放大器，5G系统对其运行速度和频率要求高，而通过有效的热管理，可以最大程度减少这些器件的输出变化。5G系统中两个重要的材料特性是热导率和热系数，它们测量的是基板介电常数随温度的变化。电路运行时或集成电路中产生的热量会导致温度升高，进而导致介电性能逐渐下降。

第一个参数的重要性显而易见：热导率较高的基板容易使有源器件的热量散发出去，运行速度和频率较高时，热导率较高的基板也是更好的选择。第二个参数的重要性可能并不明显。介电常数的变化会引起沿互连线的色散，严重的色散会拉伸数字脉冲、改变沿互连线的传播速度，并在极端情况下导致沿传输线的信号反射。

无论我们选择在5G系统中使用哪种基板材料，都需要遵循最佳PCB设计实践，以确保整个互连中阻抗一致。对于RF信号线，应尽量缩短走线路径。导体宽度和间距也需要严格控制，以便使整个互连结构的阻抗保持一致。

最终，5G将推动AR/VR、自动驾驶网络、新型智能设备以及其他难以想象的应用发展，使之应用更为广泛。Cadence提供的PCB设计和分析软件包含全套设计和仿真工具，可帮助您设计5G系统。Allegro^® PCB Designer软件包具有多种设计工具，能满足工程师构建5G系统时的需求，包括RF设计功能和互连规划工具。如欲了解更多内容，请点击这里。

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