5G和WiFi-6的PCB设计开发方案

与4G相比，5G标准提供的互联网和通信数据传输效率高达1000倍。WiFi-6是WLAN的一种类似技术。这对PCB布局意味着什么？

同样，新的WiFi技术WiFi-6的工作原理与此类似。WiFi-6在速度、延迟和连接设备数量方面都有改进，与之前的WiFi-5相比，WiFi-6性能更加强大，尤其是在企业内部网络。因此，5G移动通信解决方案和WiFi标准WiFi-6应同时使用，以应对不同的情况。

5G和WiFi-6的全面实施将为许多企业带来新的市场。更多设备、传感器和信息被分析、处理和传递。这不局限于那些能够处理大量数据的应用程序，如家庭暖气控制装置这类设备也可以使用。还能有更高分辨率的视频上应用，其中4k或8k图像将实时传送。在这方面，需要处理的数据量巨大，运行中出现的问题可以马上发现。

如果要用传感器来控制交通、机械和基础设施，传输必须稳定。目前，使用光纤的普及率越来越高，可以通过新的路由器和中继器在2.4和5 GHz频带中建立到光纤的WLAN连接。在这种情况下，因为无线，快速，安全的连接能力，它将逐渐取代电缆连接。

这意味着将来将有两个新的类似标准：室外连接将通过5G，室内连接将通过WiFi-6。在过渡期间，设备将必须向下兼容，必须支持较慢的标准。由于数个天线和频率范围使对设备的要求更加复杂，因此在未来几年中，市场上将有许多仅支持新标准的设备。

5G和WiFi-6的优点是带宽更大，同一个区域内的参与者更多，延迟更小，移动性更强，带宽更高，视频可以进行4K或8K高清传输，这将提升我们获取信息的速度。比如，在活动现场的观众可以通过手机高清、实时的给自己的亲戚朋友进行现场直播。

低延迟还让使用者可以通过网络实时且安全地控制机器和机器人。这将导致更多的物联网设备和家庭自动化。而且，因为有更多设备通过网络参与数据交换，还能通过分析大量的数据计算出精准的控制措施。例如，控制交通的优先级，如果要让消防队能畅通无阻的前往事故地点，则必须集中记录，评估实时的道路交通状态，然后计算出最准确的方案控制红绿灯解决交通拥堵。

面向PCB开发人员的5G和WiFi-6挑战

因此，未来的移动设备将具有更灵敏的传感器，其中大多数基于模拟信号。在这里，提供商可能会提供带有数字接口的模块，或者将传感器集成到IC封装中。智能传感器模块不仅会收集数据，还会根据规格进行过滤和评估，并将结果作为数字信息提供。其他概念包括将数字化的数据发送到云端，在云端中使用人工智能对其进行评估和处理，随后将结果接收回来。

简单的物联网传感器（例如外部温度计）只会偶尔向WLAN报告测量值。但是，如果传感器是本地控制系统的一部分，则除了天线外，还将有一个CPU或一个带存储器的DSP，以便本地控制评估和调节并传达状态。

解决方案的多样性和电子设备的复杂性不断增加。将GHz频段的无线电，灵敏的模拟传感器和数字处理器与的PCB的存储器集成在一起，对信号质量和EMV行为提出了挑战。在同时要求小型化，电池操作和较低功耗的情况下，还存在电源完整性和热限制。

这些问题一定不能忽略或延后解决。正如我们从3G到4G的最后一次技术飞跃所看到的那样，这会导致提供商以前的结构受到破坏。3G和4G不仅意味着更快的数据传输，还支持其他商业模式。通过这种技术，出现了诸如Netflix，Google，Apple和Amazon之类的提供商，而没有把握机会的人全都被市场所淘汰。

今天的开发人员也需要创造力，或许我们无法开创时代，但至少我们应该跟上时代。5G和WiFi-6市场正在呈指数增长，并将再次极大地改变我们的日常生活。

5G和WiFi-6的技术基础

系统性能的极大提高，甚至达到了1000倍，这主要归功于以下三种方法：更高的无线小区密度和每个区域更多的接入点，使数据吞吐量提高了10倍。新的MIMO天线（多输入多输出）甚至可以使用波束成形来改变传输方向直接对准移动的物体，并以20倍的倍数实现更高的光谱效率。可以在其上传输数据的其他更高频率（> 24 GHz）可以将吞吐量提高5倍。从理论上讲，这导致当今基础架构的数据吞吐量达到1000倍。

对于半导体制造商而言，除了CMOS之外，还增加了SOI（绝缘体上硅），GaAs（砷化镓）和GaN（氮化镓）等新型芯片材料，对于更高的SMD组件，层压板和IC封装，其质量要求也在不断提高。 5G（24至40 GHz）和汽车（77至81 GHz）的频率应用。

电路板上的GHz信号

借助大规模MIMO或贴片天线，可以为大规模连接实现低延迟的接口。为此，发射波由几个天线形成。相移导致故意的干扰，天线波的形状更窄，并且通过叠加在一个方向上得到增强。可以通过激活（例如）具有相同信号不同相位的四个贴片天线来对齐天线。通过正确的控制，列也可以跟随移动的物体。除了将一个信号分配到阵列中的所有四个天线之外，还可以通过两个天线对发送两个信号。两个设备（WiFi-6）或汽车（5G）可以在不同方向上以相同的频率同时通信，而信号不会相互干扰。

天线带来的挑战

为了在电路板上设计高性能天线，必须做出许多折衷。天线的尺寸与设备的小型化和可用的安装空间矛盾。为了获得更好的性能，可以在电路板中局部使用介电常数（电导率）εr和损耗角正切值为0.002的预浸料，作为电路板中HF范围的镶嵌电介质。这样的嵌体在生产中不再是问题，仅最小程度地增加成本。Allegro PCB编辑器工具支持层结构中一层上介电常数εr和损耗角正切的区域，用于镶嵌HF范围的电介质。

连同机械外壳信息一起，可以优化天线的位置和控件，以最大程度地增加角度和范围。为了保护通往天线的HF馈线免受外部干扰，可以使用带有屏蔽通孔的接地表面屏蔽这些线。通孔和屏蔽之间的距离应为λ/ 6，即所用波长的六分之一。选择HF线后，可以自动生成镀通孔的图案。在提取和3D模拟过程中会考虑屏蔽。

更多的无线设备也意味着更多的射频干扰

当更多设备通过无线接口进行通信时，其他设备将自动中断。功率密度的增加和频带的扩展使得抵抗来自其他设备的干扰变得更加重要。没有集成RF应用的电路也可能会受到其他外部设备的干扰。

PCB上的天线是铜结构，交流电流流过该铜结构，从而在某些频率下产生电磁场。同时，该结构接收相同频率的电磁波并将其转换为电流。该原理适用于PCB上的所有导电结构。

EMV无非就是无用的能量接收以及转换为电流，这会破坏电路的行为。随着无线接口数量的增加，对所有电子设备的EMV电阻进行仿真和测试的要求也随之增加。