5G和WiFi-6的PCB設(shè)計開發(fā)方案

與4G相比，5G標(biāo)準(zhǔn)提供的互聯(lián)網(wǎng)和通信數(shù)據(jù)傳輸效率高達(dá)1000倍。WiFi-6是WLAN的一種類似技術(shù)。這對PCB布局意味著什么？

同樣，新的WiFi技術(shù)WiFi-6的工作原理與此類似。WiFi-6在速度、延遲和連接設(shè)備數(shù)量方面都有改進(jìn)，與之前的WiFi-5相比，WiFi-6性能更加強(qiáng)大，尤其是在企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)。因此，5G移動通信解決方案和WiFi標(biāo)準(zhǔn)WiFi-6應(yīng)同時使用，以應(yīng)對不同的情況。

5G和WiFi-6的全面實施將為許多企業(yè)帶來新的市場。更多設(shè)備、傳感器和信息被分析、處理和傳遞。這不局限于那些能夠處理大量數(shù)據(jù)的應(yīng)用程序，如家庭暖氣控制裝置這類設(shè)備也可以使用。還能有更高分辨率的視頻上應(yīng)用，其中4k或8k圖像將實時傳送。在這方面，需要處理的數(shù)據(jù)量巨大，運行中出現(xiàn)的問題可以馬上發(fā)現(xiàn)。

如果要用傳感器來控制交通、機(jī)械和基礎(chǔ)設(shè)施，傳輸必須穩(wěn)定。目前，使用光纖的普及率越來越高，可以通過新的路由器和中繼器在2.4和5 GHz頻帶中建立到光纖的WLAN連接。在這種情況下，因為無線，快速，安全的連接能力，它將逐漸取代電纜連接。

這意味著將來將有兩個新的類似標(biāo)準(zhǔn)：室外連接將通過5G，室內(nèi)連接將通過WiFi-6。在過渡期間，設(shè)備將必須向下兼容，必須支持較慢的標(biāo)準(zhǔn)。由于數(shù)個天線和頻率范圍使對設(shè)備的要求更加復(fù)雜，因此在未來幾年中，市場上將有許多僅支持新標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備。

5G和WiFi-6的優(yōu)點是帶寬更大，同一個區(qū)域內(nèi)的參與者更多，延遲更小，移動性更強(qiáng)，帶寬更高，視頻可以進(jìn)行4K或8K高清傳輸，這將提升我們獲取信息的速度。比如，在活動現(xiàn)場的觀眾可以通過手機(jī)高清、實時的給自己的親戚朋友進(jìn)行現(xiàn)場直播。

低延遲還讓使用者可以通過網(wǎng)絡(luò)實時且安全地控制機(jī)器和機(jī)器人。這將導(dǎo)致更多的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和家庭自動化。而且，因為有更多設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)參與數(shù)據(jù)交換，還能通過分析大量的數(shù)據(jù)計算出精準(zhǔn)的控制措施。例如，控制交通的優(yōu)先級，如果要讓消防隊能暢通無阻的前往事故地點，則必須集中記錄，評估實時的道路交通狀態(tài)，然后計算出最準(zhǔn)確的方案控制紅綠燈解決交通擁堵。

面向PCB開發(fā)人員的5G和WiFi-6挑戰(zhàn)

因此，未來的移動設(shè)備將具有更靈敏的傳感器，其中大多數(shù)基于模擬信號。在這里，提供商可能會提供帶有數(shù)字接口的模塊，或者將傳感器集成到IC封裝中。智能傳感器模塊不僅會收集數(shù)據(jù)，還會根據(jù)規(guī)格進(jìn)行過濾和評估，并將結(jié)果作為數(shù)字信息提供。其他概念包括將數(shù)字化的數(shù)據(jù)發(fā)送到云端，在云端中使用人工智能對其進(jìn)行評估和處理，隨后將結(jié)果接收回來。

簡單的物聯(lián)網(wǎng)傳感器（例如外部溫度計）只會偶爾向WLAN報告測量值。但是，如果傳感器是本地控制系統(tǒng)的一部分，則除了天線外，還將有一個CPU或一個帶存儲器的DSP，以便本地控制評估和調(diào)節(jié)并傳達(dá)狀態(tài)。

解決方案的多樣性和電子設(shè)備的復(fù)雜性不斷增加。將GHz頻段的無線電，靈敏的模擬傳感器和數(shù)字處理器與的PCB的存儲器集成在一起，對信號質(zhì)量和EMV行為提出了挑戰(zhàn)。在同時要求小型化，電池操作和較低功耗的情況下，還存在電源完整性和熱限制。

這些問題一定不能忽略或延后解決。正如我們從3G到4G的最后一次技術(shù)飛躍所看到的那樣，這會導(dǎo)致提供商以前的結(jié)構(gòu)受到破壞。3G和4G不僅意味著更快的數(shù)據(jù)傳輸，還支持其他商業(yè)模式。通過這種技術(shù)，出現(xiàn)了諸如Netflix，Google，Apple和Amazon之類的提供商，而沒有把握機(jī)會的人全都被市場所淘汰。

今天的開發(fā)人員也需要創(chuàng)造力，或許我們無法開創(chuàng)時代，但至少我們應(yīng)該跟上時代。5G和WiFi-6市場正在呈指數(shù)增長，并將再次極大地改變我們的日常生活。

5G和WiFi-6的技術(shù)基礎(chǔ)

系統(tǒng)性能的極大提高，甚至達(dá)到了1000倍，這主要歸功于以下三種方法：更高的無線小區(qū)密度和每個區(qū)域更多的接入點，使數(shù)據(jù)吞吐量提高了10倍。新的MIMO天線（多輸入多輸出）甚至可以使用波束成形來改變傳輸方向直接對準(zhǔn)移動的物體，并以20倍的倍數(shù)實現(xiàn)更高的光譜效率?？梢栽谄渖蟼鬏敂?shù)據(jù)的其他更高頻率（> 24 GHz）可以將吞吐量提高5倍。從理論上講，這導(dǎo)致當(dāng)今基礎(chǔ)架構(gòu)的數(shù)據(jù)吞吐量達(dá)到1000倍。

對于半導(dǎo)體制造商而言，除了CMOS之外，還增加了SOI（絕緣體上硅），GaAs（砷化鎵）和GaN（氮化鎵）等新型芯片材料，對于更高的SMD組件，層壓板和IC封裝，其質(zhì)量要求也在不斷提高。 5G（24至40 GHz）和汽車（77至81 GHz）的頻率應(yīng)用。

電路板上的GHz信號

借助大規(guī)模MIMO或貼片天線，可以為大規(guī)模連接實現(xiàn)低延遲的接口。為此，發(fā)射波由幾個天線形成。相移導(dǎo)致故意的干擾，天線波的形狀更窄，并且通過疊加在一個方向上得到增強(qiáng)?？梢酝ㄟ^激活（例如）具有相同信號不同相位的四個貼片天線來對齊天線。通過正確的控制，列也可以跟隨移動的物體。除了將一個信號分配到陣列中的所有四個天線之外，還可以通過兩個天線對發(fā)送兩個信號。兩個設(shè)備（WiFi-6）或汽車（5G）可以在不同方向上以相同的頻率同時通信，而信號不會相互干擾。

天線帶來的挑戰(zhàn)

為了在電路板上設(shè)計高性能天線，必須做出許多折衷。天線的尺寸與設(shè)備的小型化和可用的安裝空間矛盾。為了獲得更好的性能，可以在電路板中局部使用介電常數(shù)（電導(dǎo)率）εr和損耗角正切值為0.002的預(yù)浸料，作為電路板中HF范圍的鑲嵌電介質(zhì)。這樣的嵌體在生產(chǎn)中不再是問題，僅最小程度地增加成本。Allegro PCB編輯器工具支持層結(jié)構(gòu)中一層上介電常數(shù)εr和損耗角正切的區(qū)域，用于鑲嵌HF范圍的電介質(zhì)。

連同機(jī)械外殼信息一起，可以優(yōu)化天線的位置和控件，以最大程度地增加角度和范圍。為了保護(hù)通往天線的HF饋線免受外部干擾，可以使用帶有屏蔽通孔的接地表面屏蔽這些線。通孔和屏蔽之間的距離應(yīng)為λ/ 6，即所用波長的六分之一。選擇HF線后，可以自動生成鍍通孔的圖案。在提取和3D模擬過程中會考慮屏蔽。

更多的無線設(shè)備也意味著更多的射頻干擾

當(dāng)更多設(shè)備通過無線接口進(jìn)行通信時，其他設(shè)備將自動中斷。功率密度的增加和頻帶的擴(kuò)展使得抵抗來自其他設(shè)備的干擾變得更加重要。沒有集成RF應(yīng)用的電路也可能會受到其他外部設(shè)備的干擾。

PCB上的天線是銅結(jié)構(gòu)，交流電流流過該銅結(jié)構(gòu)，從而在某些頻率下產(chǎn)生電磁場。同時，該結(jié)構(gòu)接收相同頻率的電磁波并將其轉(zhuǎn)換為電流。該原理適用于PCB上的所有導(dǎo)電結(jié)構(gòu)。

EMV無非就是無用的能量接收以及轉(zhuǎn)換為電流，這會破壞電路的行為。隨著無線接口數(shù)量的增加，對所有電子設(shè)備的EMV電阻進(jìn)行仿真和測試的要求也隨之增加。