Während der globale 5G-Netzwerkausbau beschleunigt wird, spielt der Non-Standalone (NSA)-Modus eine entscheidende Rolle als Brücke, die die 4G- und 5G-Welten verbindet. Diese Architektur nutzt geschickt das bestehende 4G LTE-Kernnetz (EPC) für die Signalisierungssteuerung, während sie das 5G New Radio (NR) zur Übertragung von Hochgeschwindigkeitsdatenströmen einführt, was eine schnelle Bereitstellung und umfassende Abdeckung ermöglicht. Hinter diesem Erfolg verbergen sich jedoch beispiellose Herausforderungen für die zugrunde liegende Hardware, wobei die 5G NSA Leiterplatte (Printed Circuit Board) als Eckpfeiler die Netzwerkleistung, Stabilität und Kosteneffizienz bestimmt. Von den Aktiven Antenneneinheiten (AAU) in Makro-Basisstationen bis hin zu Mikro-Basisstationen in städtischen Ecken muss jede Leiterplatte ein empfindliches Gleichgewicht zwischen HF-Leistung, Signalintegrität und Wärmemanagement erreichen. Als führender Leiterplattenhersteller nutzt Highleap PCB Factory (HILPCB) sein tiefgreifendes technisches Fachwissen, um globalen Kunden modernste Lösungen zur Bewältigung dieser komplexen Herausforderungen anzubieten.

Welche einzigartigen Anforderungen stellt die 5G NSA-Architektur an das Leiterplattendesign?

Der Kern der 5G NSA-Architektur ist die LTE-NR Dual Connectivity (EN-DC), was bedeutet, dass Endgeräte gleichzeitig mit 4G- und 5G-Basisstationen verbunden sein können. Dieser parallele Betriebsmodus führt direkt zu doppelten Herausforderungen für das Leiterplattendesign. Erstens muss die Leiterplatte Signale sowohl aus den 4G- als auch aus den 5G-Frequenzbändern verarbeiten, was die Komplexität des HF-Frontends erhöht und strengere Anforderungen an das Leiterplattenlayout, die Verdrahtung und die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) stellt.

Eine Hochleistungs-5G-HF-Leiterplatte muss mehr Filter, Leistungsverstärker und Antennenspeisenetzwerke auf begrenztem Raum unterbringen und gleichzeitig die Signalisolierung zwischen verschiedenen Frequenzbändern gewährleisten, um Kreuzinterferenzen zu vermeiden. Zusätzlich verlagert sich der Datenverarbeitungsdruck auf die Distributed Unit (DU). Die entsprechende 5G DU-Leiterplatte muss robuste Datendurchsatzfähigkeiten besitzen, um massive Datenströme aus beiden Netzwerken zu verarbeiten, was extrem hohe Datenübertragungsraten und Signalintegrität erfordert, um eine fehlerfreie Datenübertragung zwischen der Basisbandverarbeitung und dem HF-Frontend zu gewährleisten.

Die entscheidende Rolle von Hochfrequenzmaterialien in 5G NSA-Leiterplatten

Die 5G-Kommunikation stützt sich auf höherfrequente Spektrumsressourcen, insbesondere Sub-6GHz- und Millimeterwellen (mmWave)-Bänder. Höhere Frequenzen bedeuten, dass der Signalverlust in Übertragungsmedien dramatisch zunimmt, was die Anforderungen an PCB-Materialien revolutioniert. Herkömmliche FR-4-Materialien weisen bei Frequenzen über einigen GHz eine schlechte Leistung hinsichtlich dielektrischer Verluste (Df) und der Stabilität der Dielektrizitätskonstante (Dk) auf, wodurch sie für 5G-HF-Anwendungen ungeeignet sind.

Daher ist die Auswahl verlustarmer Materialien für 5G NSA PCBs entscheidend. Branchenweite Lösungen umfassen spezielle Hochfrequenzlaminate, die von Unternehmen wie Rogers, Taconic und Teflon hergestellt werden. Diese Materialien bieten die folgenden Hauptmerkmale:

• Extrem niedrige dielektrische Verluste (Df): Minimiert die Signaldämpfung während der Übertragung und gewährleistet die Signalqualität, was besonders kritisch für leistungseingeschränkte Endgeräte und Modulationsverfahren höherer Ordnung (z.B. 256-QAM) ist.
• Stabile und konsistente Dielektrizitätskonstante (Dk): Gewährleistet eine präzise Impedanzkontrolle und erhält die Signalphasenkohärenz, was für Technologien wie massive MIMO und Beamforming von grundlegender Bedeutung ist.
• Hervorragende Umweltstabilität: Behält eine stabile elektrische Leistung unter wechselnden Temperatur- und Feuchtigkeitsbedingungen bei und gewährleistet so einen langfristig zuverlässigen Betrieb von Kommunikationsgeräten in verschiedenen Außenumgebungen. HILPCB verfügt über umfassende Erfahrung im Umgang mit verschiedenen Hochfrequenzmaterialien, einschließlich Rogers PCBs, und kann die am besten geeigneten Materialien basierend auf den spezifischen Anwendungsszenarien und Budgetbeschränkungen der Kunden empfehlen und verarbeiten, wodurch eine solide Grundlage für hochleistungsfähige 5G RF PCBs gelegt wird.

Signalintegrität: Bewältigung von Herausforderungen bei Hochgeschwindigkeits-Digital- und HF-Hybridanwendungen

Eine typische 5G NSA PCB ist ein komplexes Mixed-Signal-System, bei dem Hochgeschwindigkeits-Digitalsignale mit hochsensiblen analogen HF-Signalen koexistieren. Zum Beispiel müssen in Basisband-Verarbeitungseinheiten, ob traditionelle 5G BBU PCBs oder moderne 5G DU PCBs, SerDes-Kanäle mit Raten von 25 Gbit/s oder mehr verarbeitet werden. Elektromagnetische Interferenzen (EMI), die von diesen Digitalsignalen erzeugt werden, können, wenn sie nicht richtig gehandhabt werden, die Empfindlichkeit des HF-Empfängers stark beeinträchtigen.

Die Sicherstellung der Signalintegrität (SI) und der Stromversorgungs-Integrität (PI) ist von größter Bedeutung. Das Ingenieurteam von HILPCB setzt eine Reihe fortschrittlicher Design- und Fertigungstechniken ein, um diese Herausforderungen zu bewältigen:

• Präzise Impedanzkontrolle: Einsatz fortschrittlicher Feldsolver und strenger Produktionsprozesskontrolle, um sicherzustellen, dass die charakteristische Impedanz der Übertragungsleitung innerhalb einer engen Toleranz von ±5% bleibt, wodurch Signalreflexionen minimiert werden.
• Optimiertes Lagenaufbau-Design: Sorgfältig entworfene PCB-Lagenaufbauten nutzen Masseebenen für eine effektive Abschirmung, um digitales Rauschen von empfindlichen HF-Leiterbahnen zu isolieren.
• Fortschrittliche Via-Technologie: Der Einsatz von Back-Drilling- oder HDI-Techniken (Blind-/Vergrabene Vias) zur Entfernung überschüssiger Stub-Rückstände in Vias reduziert Reflexionen und Verzerrungen, die Hochgeschwindigkeitssignalen zugefügt werden.

Durch die Partnerschaft mit HILPCB erhalten Kunden Zugang zu professionellen Dienstleistungen für das Design und die Fertigung von Hochgeschwindigkeits-Leiterplatten, wodurch sichergestellt wird, dass ihre Produkte selbst in komplexen elektromagnetischen Umgebungen hervorragende Leistungen erbringen.

Wärmemanagementstrategien für 5G-Basisstations-Leiterplatten

Leistungsverbesserungen gehen oft mit einem erhöhten Stromverbrauch einher. Galliumnitrid (GaN)-Leistungsverstärker, großformatige FPGAs und ASIC-Chips, die in 5G-Basisstationen verwendet werden, sind erhebliche Wärmequellen. Im NSA-Modus müssen Geräte sowohl 4G als auch 5G unterstützen, was den Stromverbrauch und die Wärmedichte weiter erhöht. Wenn Wärme nicht effektiv abgeführt werden kann, verringert dies nicht nur die Leistung und Lebensdauer der Komponenten, sondern kann sogar zu Systemausfällen führen.

Ein effektives Wärmemanagement ist entscheidend für den langfristig stabilen Betrieb von 5G-Basisstationen. Für platzbeschränkte 5G Small Cell PCBs ist diese Herausforderung besonders groß. Gängige Lösungen umfassen:

• Dickkupfer-Leiterplatten: Erhöhung der Kupferfoliendicke auf den inneren und äußeren Leiterplattenschichten, um die ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit von Kupfer zur Wärmeleitung und -ableitung zu nutzen.
• Thermische Via-Arrays: Dichte Anordnung von thermischen Vias unter wärmeerzeugenden Komponenten, um Wärme schnell zu Kühlkörpern oder Metallkernschichten auf der Leiterplattenrückseite zu übertragen.
• Eingebettete Wärmeverteiler (Kupfermünzen): Direkte Einbettung von Kupfer- oder Aluminiumblöcken in die Leiterplatte, in direktem Kontakt mit wärmeerzeugenden Chips, um den effizientesten Wärmeleitungspfad zu bieten.
• Metallkern-Leiterplatten (MCPCBs): Für spezifische Anwendungen wie Leistungsmodule, Verwendung von Aluminium- oder Kupfer-basierten Substraten, um eine überragende thermische Gesamtleistung zu erzielen.

HILPCB bietet verschiedene Wärmemanagementlösungen an, darunter Dickkupfer-Leiterplatten, die den Produkten der Kunden helfen, auch unter rauen Betriebstemperaturen "kühl" zu bleiben.

PCB-Angebot anfordern ## Herausforderungen bei der PCB-Integration für Massive MIMO Antennenarrays

Massive Multiple-Input Multiple-Output (Massive MIMO) ist eine zentrale 5G-Technologie zur Steigerung der spektralen Effizienz und Netzwerkkapazität. Durch den Einsatz von Antennenarrays, die aus Dutzenden oder sogar Hunderten von Antennenelementen an Basisstationen bestehen, kann eine präzise Strahlformung erreicht werden, die die Signalenergie auf bestimmte Benutzer konzentriert. In modernen aktiven Antenneneinheiten (AAUs) sind Antennenelemente, HF-Frontends und Leistungsverstärker typischerweise direkt auf einer komplexen 5G HF-Leiterplatte integriert.

Dieses hochintegrierte Design stellt extrem hohe Präzisionsanforderungen an die Leiterplattenfertigung:

• Konsistenz des Speisenetzwerks: Die Länge und Eigenschaften des Speisenetzwerks für jede Einheit im Antennenarray müssen hochgradig konsistent sein, um eine präzise Phasensteuerung zu gewährleisten, die für ein erfolgreiches Beamforming entscheidend ist.
• High-Density Interconnect (HDI): Um zahlreiche HF-Kanäle und digitale Steuerspuren auf begrenztem Raum zu integrieren, muss die HDI-Leiterplattentechnologie eingesetzt werden, die Mikro-Vias, Blind-/Buried-Vias und feine Leiterbahnen für hochdichte Layouts verwendet.
• Materialgleichmäßigkeit: Der Dk-Wert des Leiterplattenmaterials muss über die gesamte Platine hinweg hochgradig gleichmäßig bleiben; geringfügige Abweichungen können zu Phasenfehlanpassungen führen, die die Genauigkeit der Strahlformung beeinträchtigen.

Von BBU zu DU/CU: Auswirkungen der Entwicklung der Netzwerkarchitektur auf Leiterplatten

Während sich 5G weiterentwickelt, gehen traditionelle 4G-Basisbandeinheiten (BBUs) zu flexibleren und effizienteren Architekturen mit Distributed Unit (DU) und Centralized Unit (CU) über. Dieser Wandel beeinflusst die Designphilosophie der zugehörigen PCBs maßgeblich.

• 5G BBU PCB: In einigen frühen oder integrierten Lösungen existieren BBU-ähnliche Geräte noch, wobei sich die PCB-Designs auf robuste Rechenfähigkeiten und Kernnetzwerkkonnektivität konzentrieren.
• 5G DU PCB: DUs werden typischerweise in der Nähe von Antennen eingesetzt und verarbeiten latenzempfindliche Funktionen der physikalischen Schicht. Daher müssen 5G DU PCBs Hochleistungsrechnen mit rauen Außenbetriebsumgebungen in Einklang bringen, was außergewöhnliche Zuverlässigkeit und Wärmemanagement erfordert.
• 5G Cloud RAN PCB: Mit Virtualisierungs- und Cloudifizierungs-Trends werden CU-Funktionen zunehmend von Allzweckservern in Rechenzentren ausgeführt. Dies hat die Nachfrage nach 5G Cloud RAN PCBs angekurbelt, die im Wesentlichen Hochleistungs-Server-Motherboards oder Beschleunigerkarten sind, die Hochgeschwindigkeits-I/O-Schnittstellen (z.B. PCIe 5.0/6.0) und Kompatibilität mit der Rechenzentrumsinfrastruktur betonen.

Diese architektonische Entwicklung bedeutet, dass PCB-Lieferanten über vielfältige technische Fähigkeiten verfügen müssen, um sowohl robuste Outdoor-HF-Platinen als auch komplexe Computing-Platinen herzustellen, die den Rechenzentrumsstandards entsprechen.

Designüberlegungen für 5G Small Cell PCBs

Um die Abdeckungseinschränkungen von Millimeterwellen-Signalen zu kompensieren und die Kapazitätsanforderungen in Hotspot-Bereichen zu erfüllen, benötigen 5G-Netzwerke eine tiefe Abdeckung und eine dichte Bereitstellung, was zur Entstehung von Small Cells führt. Das Design von 5G Small Cell PCBs stellt den Höhepunkt der Systemintegrationskunst dar und erfordert die Implementierung der Kernfunktionalitäten von Makro-Basisstationen auf extrem kompaktem Raum.

Designüberlegungen umfassen:

• Hohe Integration: Die Integration von HF-, Basisband-, Stromversorgungs- und Backhaul-Schnittstellen auf einer oder wenigen PCBs stellt erhebliche Herausforderungen für Layout, Routing und EMV-Design dar.
• Niedriger Stromverbrauch: Aufgrund unterschiedlicher Einsatzumgebungen (z. B. Laternenpfähle, Wände) mit begrenzten Stromversorgungs- und Kühlbedingungen muss der Stromverbrauch streng kontrolliert werden.
• Design for Manufacturability (DFM): Kompakte Designs führen oft zu minimalen Komponentenabständen, was eine extrem hohe Präzision bei der Leiterplattenfertigung und -bestückung erfordert. Die schlüsselfertigen PCBA-Dienstleistungen von HILPCB gewährleisten eine vollständige Prozessqualitätskontrolle von der Leiterplattenherstellung bis zur Komponentenbestückung und verbessern so effektiv die Produktausbeute.

Wie HILPCB Kunden bei der Bewältigung von 5G NSA Leiterplatten-Herausforderungen unterstützt

Angesichts der vielfältigen Herausforderungen von 5G NSA ist die Auswahl eines erfahrenen, technisch umfassenden Leiterplattenpartners entscheidend. HILPCB nutzt seine jahrelange Expertise im Kommunikationsbereich und bietet Kunden umfassende Unterstützung vom Prototyping bis zur Massenproduktion.

Unsere Vorteile umfassen:

• Materialexpertise: Wir sind mit verschiedenen Hochfrequenz- und Hochgeschwindigkeitsmaterialeigenschaften vertraut und können professionelle Empfehlungen zur Materialauswahl geben.
• Fortschrittliche Fertigungsprozesse: Wir verfügen über branchenführende HDI-, Rückbohr-, Impedanzkontroll- und Hybrid-Dielektrikum-Laminationstechnologien, um die komplexesten Anforderungen an die Fertigung von 5G NSA Leiterplatten zu erfüllen.
• Umfassende Lösungen: Wir bieten nicht nur blanke Leiterplatten an, sondern unterstützen auch die Herstellung verschiedener Produkte, von Server-Motherboards wie 5G Cloud RAN Leiterplatten bis hin zu kompakten 5G Small Cell Leiterplatten.
• Strenge Qualitätskontrolle: Wir halten uns an strenge Qualitätsmanagementsysteme, um sicherzustellen, dass jede gelieferte Leiterplatte außergewöhnliche Leistung und Zuverlässigkeit bietet.

Benutzerauthentifizierung, Sitzungsverwaltung, Datenrouting Switch-/Router-Leiterplatten, Server-Motherboards