PCB是每個電子設備的心臟，其重要性不僅在于它允許各個組件之間的電氣連接，還在于它承載數字和模擬信號、高頻數據傳輸信號和電源線。隨著5G技術的引入，PCB需要滿足哪些新的需求和要求？與4G相比，即將大規模部署的5G網絡將迫使設計人員重新思考移動、物聯網和電信設備的PCB設計。5G網絡將具有高速、寬帶寬和低延遲的特點，所有這些都需要仔細的PCB設計以支持新的高頻特性。

5G天線PCB設計挑戰

與4G網絡相比，第五代移動技術將提供10-20倍的傳輸速率（高達1Gbps）、高達1000倍的流量密度和10倍的每平方公里連接數。5G網絡還旨在提供1毫秒的延遲，比4G網絡提供的延遲快10倍，并在更寬的頻率范圍內運行。PCB必須同時支持遠高于當前的數據速率和頻率，從而將混合信號設計推向極限。雖然4G網絡的運行頻率均低于6GHz閾值（從600MHz到5.925GHz），但5G網絡會將頻率上限提高到更高，直至毫米波區域 （mmWave），頻帶以26GHz頻率為中心、30GHz和77GHz。EHF（極高頻）頻段的使用代表了5G技術給PCB設計人員帶來的最困難的挑戰之一。毫米波僅通過視線傳播，并且當它們遇到建筑物、樹葉或惡劣的天氣條件（如雨或潮濕）時，會沿途發生強烈衰減。因此，將需要更多的基站來支持5G網絡。為了支持如此大量的頻率，將需要多個相控陣天線來支持先進的5G功能，例如波束成形。因此，無論是在移動設備上還是在基站上，我們都將擁有一個PCB，該PCB集成了大量天線陣列單元（AAU），并廣泛使用了大規模MIMO技術。在圖1中，我們可以看到幾年前由一家領先的SoC和電信調制解調器設計公司開發的5G設備原型。三個有源天線，尺寸極其緊湊，能夠管理5G標準所需的頻率，在PCB的頂部和右側清晰可見。

圖1：5G移動設備原型（來源：高通）

除了頻率之外，另一個重要的挑戰是每個通道的帶寬。雖然在4G網絡中，信道帶寬設置為20MHz（物聯網設備限制為200kHz），但在5G網絡中，其值已設置為6GHz以下頻率的100MHz和6GHz以上頻率的400MHz。雖然市場上已經有能夠支持這些規格的調制解調器和射頻組件，但選擇最合適的材料將是PCB設計的基礎。由于射頻前端將直接集成在PCB上，因此需要具有極低介電傳輸損耗和極高導熱性的材料。對于6GHz以上的頻率，用于制造PCB的材料必須適應毫米波頻段的特殊基板。

5G 信號頻率高、波長短，傳統 PCB 材料已難以滿足需求。高頻高速板材成為首選，如羅杰斯公司的 RO4000 系列板材，具有低介電常數（Dk）和低介質損耗（Df）特性。低 Dk 能減少信號傳輸過程中的相位延遲，低 Df 則降低信號能量損耗，有效保障 5G 信號在高頻下的完整性。同時，在覆銅箔方面，采用高純度、低粗糙度的銅箔，可降低線路電阻，減少信號傳輸時的趨膚效應影響，進一步提升信號傳輸速度與質量。

合理的電路設計是實現高速信號傳輸的核心。5G 天線線路板設計中，常采用多層板結構，精確控制各層線路的阻抗匹配。例如，通過嚴格計算與仿真，確保傳輸線的特性阻抗為 50 歐姆，減少信號反射，保障信號順利傳輸。對于高速信號線路，遵循最短路徑原則，減少線路彎折，避免出現直角或銳角，防止信號在彎折處產生反射和散射。同時，利用差分信號傳輸技術，將一對極性相反、大小相等的信號同時傳輸，有效抑制共模干擾，提升信號的抗干擾能力，確保 5G 信號在復雜電磁環境下也能精準、高速傳輸。

5G 天線線路板先進的制造工藝是突破技術瓶頸的有力支撐。在 5G 天線 PCB 制造過程中，采用高精度的激光直接成像（LDI）技術，可精確蝕刻出更細、更密的線路，滿足 5G 信號高頻傳輸對線路精度的嚴苛要求，其線路精度可達 ±5μm，極大提升了電路集成度，減少信號傳輸延遲。在電鍍環節，運用先進的化學鍍鎳浸金工藝，提高線路表面的平整度和抗氧化性，降低信號傳輸時的接觸電阻，保證信號傳輸的穩定性。此外，借助高精度的層壓技術，確保多層板各層之間的對準精度，避免因層間偏移導致信號傳輸異常。

5G 通信基站采用毫米波天線設計，工作頻段為 28GHz，設計中面臨著高頻信號損耗、阻抗匹配和散熱問題。通過選用 Rogers RO5880 材料，其 Dk 為 2.2，Df 為 0.0009，確保了低損耗和高相位穩定性；通過仿真優化微帶線參數，確保 28GHz 信號的阻抗匹配，并使用差分對設計減少 EMI；在高功率區域布置導熱過孔，并在背面安裝散熱器，確保長時間工作時的溫度穩定性。最終，該設計在實驗室測試中表現出優異的信號完整性和熱穩定性。