PCB สำหรับ 5G Telecom: ข้อกำหนดและการออกแบบ RF

# PCB สำหรับ 5G Telecom: ข้อกำหนดและการออกแบบ RF

เทคโนโลยี 5G นำมาซึ่งความท้าทายใหม่สำหรับการออกแบบ PCB โดยเฉพาะในย่านความถี่ mmWave บทความนี้ครอบคลุมข้อกำหนดและ best practices สำหรับ PCB ในระบบ 5G

> จากประสบการณ์ของผม: "5G PCB โดยเฉพาะ mmWave เป็นการผสมผสานระหว่าง PCB และ antenna design ที่ความถี่สูงขนาดนี้ ทุกมิลลิเมตรของ trace สำคัญ และ material selection มีผลต่อ performance อย่างมาก" — Hommer Zhao, Engineering Director

---

สารบัญ

1. 5G Frequency Bands และความท้าทาย
2. Material Requirements
3. RF Transmission Line Design
4. Antenna Integration
5. Power Amplifier Considerations
6. Thermal Management
7. Signal Integrity
8. Manufacturing Challenges
9. Testing และ Validation
10. FAQ

---

5G Frequency Bands และความท้าทาย {#frequency}

5G Frequency Spectrum

```

5G Frequency Bands:

Sub-1GHz Sub-6GHz mmWave

│ │ │

◄────┼───────────────┼──────────────────┼────►

│ │ │ │

│ 600 1.8 2.5 3.5 4.5 28 39 GHz

│ 700 2.1 2.6 3.7 26 37

│ 850 2.3 24

│

│ Coverage Capacity Speed

│ ████ ████████ █████████████

│

└────────────────────────────────────────────────────►

Frequency

```

Band Classification

PCB Challenges by Frequency

---

Material Requirements {#materials}

Material Properties Comparison

Dk and Df Importance

```

Signal Loss vs Frequency:

Loss

(dB/inch)

│

1.0│ ╱ FR4

│ ╱

0.8│ ╱

│ ╱

0.6│ ╱ High-speed FR4

│ ╱ ╱

0.4│ ╱ ╱

│ ╱ ╱ Rogers

0.2│ ╱ ╱ ╱

│ ╱ ╱ ╱

0.0│──────────────────────────────────────────────

0 5 10 15 20 25 30 35 40 GHz

```

Material Selection Guide

> คำแนะนำจากผม: "สำหรับ 5G Sub-6GHz high-speed FR4 มักเพียงพอและประหยัดกว่า Rogers แต่ต้องเลือก grade ที่ถูก และต้อง simulate ก่อนเสมอ สำหรับ mmWave ไม่มีทางเลือก ต้องใช้ low-loss PTFE หรือ Rogers" — Hommer Zhao

---

RF Transmission Line Design {#transmission}

Transmission Line Types

```

Microstrip: Stripline:

Signal ────────── ───────────── GND

▀▀▀▀▀▀▀▀▀▀▀▀▀▀▀▀ ░░░░░░░░░░░░░

░░░ Dielectric ░░░ Signal ─────

═══════════════════ GND ░░░░░░░░░░░░░

───────────── GND

Coplanar Waveguide: Coplanar with Ground:

GND Signal GND GND Signal GND

═══ ▀▀▀▀▀▀ ═══ ═══ ▀▀▀▀▀▀ ═══

░░░░░░░░░░░░░░░░░░░ ░░░░░░░░░░░░░░░░░░░

═════════════════════ GND

```

Impedance Calculation (50Ω Microstrip)

Design Rules for RF Traces

Via Transitions

```

Standard Via: Back-drilled Via:

Signal Signal

│ │

▼ ▼

┌──┴──┐ ┌──┴──┐

│█████│ ← Via barrel │█████│ ← Active via

│█████│ causes stub │░░░░░│ ← Back-drilled

│█████│ │░░░░░│ (stub removed)

└─────┘ └─────┘

│ │

Stub (resonance!) No stub (clean)

Effect: Stub causes notch in frequency response

at f = c/(4×stub_length×√εr)

```

---

Antenna Integration {#antenna}

Antenna Types for 5G

Antenna-in-Package (AiP)

```

mmWave Antenna Module:

Top View: Side View:

┌────────────────────┐ ┌────────────────────┐

│ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ │ │ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ │ ← Patch array

│ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ │ ├────────────────────┤

│ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ │ │░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░│ ← RF substrate

│ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ │ ├────────────────────┤

├────────────────────┤ │ BGA Balls │

│ ┌────┐ ┌────┐ │ └────────────────────┘

│ │RFIC│ │PMIC│ │ │

│ └────┘ └────┘ │ │

└────────────────────┘ ▼

Main PCB

```

Antenna Design Considerations

---

Power Amplifier Considerations {#pa}

PA Requirements by Band

PA PCB Design

```

PA Module Layout:

┌─────────────────────────────────────────────────────┐

│ │

│ ┌─────┐ ┌─────────┐ ┌─────┐ ┌─────┐ │

│ │Input│───►│Matching │───►│ PA │───►│Match│───►│RF Out

│ │ │ │Network │ │ │ │ │ │

│ └─────┘ └─────────┘ └──┬──┘ └─────┘ │

│ │ │

│ ┌──────┴──────┐ │

│ │ │ │

│ ┌───┴───┐ ┌────┴────┐ │

│ │Bias │ │Thermal │ │

│ │Circuit│ │Pad │ │

│ └───────┘ └─────────┘ │

│ │ │

│ ▼ │

│ Heatsink │

└─────────────────────────────────────────────────────┘

```

Thermal Management for PA

---

Thermal Management {#thermal}

5G Base Station Heat Sources

Thermal Solutions

```

Massive MIMO Thermal Design:

Front View: Side View:

┌─────────────────────────┐ ┌──────────────────┐

│ ○ ○ ○ ○ │ ○ ○ ○ ○ │ │░░░░░░░░░░░░░░░░░░│ ← Radome

│ ○ ○ ○ ○ │ ○ ○ ○ ○ │ │ │

│ ○ ○ ○ ○ │ ○ ○ ○ ○ │ │ Antenna Array │

│ ○ ○ ○ ○ │ ○ ○ ○ ○ │ │ │

│─────────┼──────────────│ ├──────────────────┤

│ PA PA │ PA PA │ │ RF PCB │

│ PA PA │ PA PA │ ← ── │ (Low-loss) │

│─────────┼──────────────│ ├──────────────────┤

│ Digital │ Power │ │ Digital PCB │

│ Board │ Supply │ │ (High-Tg FR4) │

│ │ │ ← ── ├──────────────────┤

│ │ │ │ Heatsink │

│─────────┴──────────────│ │ with fins │

│ Heatsink │ └──────────────────┘

└─────────────────────────┘

```

PCB Thermal Techniques for RF

> คำแนะนำจากผม: "สำหรับ 5G base station ความร้อนเป็นปัจจัยจำกัดหลัก ไม่ใช่ RF performance เราเคยเห็นระบบที่ทำงานดีในห้อง lab แต่ fail ในสนามเพราะ thermal throttling ต้อง simulate thermal ตั้งแต่ design phase" — Hommer Zhao

---

Signal Integrity {#signal}

High-Speed Digital Requirements

Eye Diagram Requirements

```

Good Eye: Bad Eye:

┌─────────────┐ ┌─────────────┐

│ ╱╲ │ │ ╱╲╱╲ │

│ ╱ ╲ │ │ ╱ ╲ │

│ ╱ ╲ │ │ ╱ ╲╱ ╲ │

│ ╱ ╲ │ │╱ ╲ │

├╱────────╲───┤ ├──────────╲──┤

│╲ ╱ │ │╲ ╱╲ ╱ ╱ │

│ ╲ ╱ │ │ ╲╱ ╲╱ ╱ │

│ ╲ ╱ │ │ ╲╱ │

│ ╲ ╱ │ │ │

│ ╲╱ │ │ │

└─────────────┘ └─────────────┘

Key Metrics:

• Eye height > 40% of swing

• Eye width > 0.7 UI

• Jitter < 0.3 UI

```

Layout Guidelines

---

Manufacturing Challenges {#manufacturing}

mmWave Manufacturing Requirements

Process Control Points

Test Coupons for RF

```

RF Test Coupon Panel:

┌─────────────────────────────────────────────────┐

│ ┌─────────┐ ┌─────────┐ ┌─────────┐ │

│ │Impedance│ │ Loss │ │ Via │ Array │

│ │ Coupon │ │ Coupon │ │Transition│ │

│ └─────────┘ └─────────┘ └─────────┘ │

│ │

│ ┌─────────────────────────────────┐ │

│ │ │ │

│ │ Production Board │ │

│ │ │ │

│ └─────────────────────────────────┘ │

│ │

│ ┌─────────┐ ┌─────────┐ ┌─────────┐ │

│ │Crosstalk│ │Insertion│ │Return │ │

│ │ │ │ Loss │ │ Loss │ │

│ └─────────┘ └─────────┘ └─────────┘ │

└─────────────────────────────────────────────────┘

```

---

Testing และ Validation {#testing}

RF Tests Required

Test Frequencies

Pass/Fail Criteria

---

คำถามที่พบบ่อย {#faq}

Q1: สามารถใช้ FR4 สำหรับ 5G ได้หรือไม่?

A: ขึ้นกับ band:

• Sub-6GHz: High-speed FR4 ได้
• mmWave: ไม่ได้ ต้องใช้ low-loss materials

Q2: ต้องใช้กี่ชั้นสำหรับ 5G PCB?

A: ขึ้นกับ complexity:

• Simple radio: 6-8 layers
• Integrated radio unit: 12-16 layers
• Massive MIMO: 16-24 layers

Q3: Back-drill จำเป็นสำหรับ Sub-6GHz หรือไม่?

A: แนะนำสำหรับ:

• Frequencies >3GHz
• High-speed digital (>10Gbps)
• Critical signal paths

Q4: ราคา mmWave PCB แพงกว่าปกติเท่าไร?

A: โดยประมาณ:

• Material cost: 5-10x
• Processing: 2-3x
• Testing: 3-5x
• Total: 5-15x ของ standard PCB

Q5: Lead time สำหรับ 5G PCB?

A: ขึ้นกับ material:

• Standard FR4: 2-3 weeks
• Rogers/Taconic: 4-6 weeks
• PTFE: 6-8 weeks

---

สรุป

PCB สำหรับ 5G ต้องการ:

1. Material selection - Low-loss สำหรับ high frequency
2. RF design skills - Transmission line, matching
3. Thermal management - High power PA cooling
4. Tight tolerances - Manufacturing precision
5. Comprehensive testing - RF validation

> สรุปจากผู้เชี่ยวชาญ: "5G PCB โดยเฉพาะ mmWave เป็นการผสมผสานระหว่าง PCB design และ antenna engineering ต้องมี expertise ทั้งสองด้าน และต้อง simulate อย่างละเอียดก่อนทำ prototype เพราะการแก้ไขทีหลังมีค่าใช้จ่ายสูงมาก" — Hommer Zhao

---

บริการของเรา

PCB Thailand ให้บริการ PCB สำหรับ Telecom:

• HDI PCB - High-density for 5G
• Multilayer PCB - Complex RF designs
• Aluminum PCB - Thermal management

ติดต่อเรา สำหรับ 5G PCB capabilities

---

บทความที่เกี่ยวข้อง

• RF Cable Types: เปรียบเทียบ 5 ประเภท
• HDI PCB Technology Guide
• Coax vs Twisted Pair vs Fiber
• Aluminum PCB vs FR4

---

เอกสารอ้างอิง

1. 3GPP 5G NR Specifications: www.3gpp.org
2. IEEE 802.11ax Standards: www.ieee.org
3. Rogers Corporation RF Design Guide: www.rogerscorp.com
4. IPC-2226 HDI Design Standard: www.ipc.org
5. GSMA 5G mmWave White Paper: www.gsma.com