5G和WiFi-6的PCB設計開發(fā)方案

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

同樣，新的WiFi技術WiFi-6的工作原理與此類似。WiFi-6在速度、延遲和連接設備數(shù)量方面都有改進，與之前的WiFi-5相比，WiFi-6性能更加強大，尤其是在企業(yè)內部網(wǎng)絡。因此，5G移動通信解決方案和WiFi標準WiFi-6應同時使用，以應對不同的情況。

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)的應用程序，如家庭暖氣控制裝置這類設備也可以使用。還能有更高分辨率的視頻上應用，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、機械和基礎設施，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準：室外連接將通過5G，室內連接將通過WiFi-6。在過渡期間，設備將必須向下兼容，必須支持較慢的標準。由于數(shù)個天線和頻率范圍使對設備的要求更加復雜，因此在未來幾年中，市場上將有許多僅支持新標準的設備。

5G和WiFi-6的優(yōu)點是帶寬更大，同一個區(qū)域內的參與者更多，延遲更小，移動性更強，帶寬更高，視頻可以進行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高清、實時的給自己的親戚朋友進行現(xiàn)場直播。

低延遲還讓使用者可以通過網(wǎng)絡實時且安全地控制機器和機器人。這將導致更多的物聯(lián)網(wǎng)設備和家庭自動化。而且，因為有更多設備通過網(wǎng)絡參與數(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)格進行過濾和評估，并將結果作為數(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行評估和處理，隨后將結果接收回來。

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節(jié)并傳達狀態(tài)。

解決方案的多樣性和電子設備的復雜性不斷增加。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的最后一次技術飛躍所看到的那樣，這會導致提供商以前的結構受到破壞。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，出現(xiàn)了諸如Netflix，Google，Apple和Amazon之類的提供商，而沒有把握機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的技術基礎

系統(tǒng)性能的極大提高，甚至達到了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移動的物體，并以20倍的倍數(shù)實現(xiàn)更高的光譜效率。可以在其上傳輸數(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，這導致當今基礎架構的數(shù)據(jù)吞吐量達到1000倍。

對于半導體制造商而言，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?？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)

為了在電路板上設計高性能天線，必須做出許多折衷。天線的尺寸與設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)（電導率）εr和損耗角正切值為0.002的預浸料，作為電路板中HF范圍的鑲嵌電介質。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構中一層上介電常數(shù)εr和損耗角正切的區(qū)域，用于鑲嵌HF范圍的電介質。

連同機械外殼信息一起，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。

更多的無線設備也意味著更多的射頻干擾

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

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

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