探索高頻毫米波頻率在不同高頻材料中的性能

探索高頻毫米波頻率在不同高頻材料中的性能

毫米波頻段因具有更大的帶寬優(yōu)勢而逐漸被更多的應(yīng)用。5G無線網(wǎng)絡(luò)和ADAS汽車等許多新興應(yīng)用的電路開發(fā)者正面臨著設(shè)計并制出實際可行的30到300GHz電路解決方案的挑戰(zhàn)。在這里探索了經(jīng)常用在微波頻率下的不同電路技術(shù)以及不同電路材料是如何影響高頻毫米波電路板性能。

汽車雷達應(yīng)用中的信號頻率在30和300GHz之間變化，甚至會低至24GHz，這些信號借助于不同電路功能，通過微帶線、帶狀線、基板集成波導（SIW）和接地共面波導（GCPW）等不同傳輸線技術(shù)傳播。這些傳輸線技術(shù)（圖1）通常在微波頻率下使用，有時也在毫米波頻率下使用，都需要使用專門用于這種高頻率條件的電路層壓板材料。微帶線作為最簡單、最常用的傳輸線電路技術(shù)，采用常規(guī)的電路加工工藝即可能夠?qū)崿F(xiàn)較高的電路合格率。但頻率升高至毫米波頻率，它可能不是最好的電路傳輸線。每種傳輸線都有自己的優(yōu)點和缺點，例如，微帶線雖然易于加工，但是當在毫米波頻率下使用時必須解決較高的輻射損耗問題。

圖1、當向毫米波頻率過渡時，微波電路板設(shè)計人員需要面對微波頻率下的至少四種傳輸線技術(shù)的選擇

微帶線的開放性結(jié)構(gòu)雖然方便物理連接，但是在較高頻率下也會產(chǎn)生一些問題。在微帶傳輸線中，電磁（EM）波通過電路材料的導體和介質(zhì)基板傳播，但是還有部分電磁波通過周圍的空氣傳播。由于空氣的低Dk值，造成電路的有效Dk值低于電路材料的Dk值，在電路仿真時必須予以考慮。利用高Dk值材料加工制成的電路，與低Dk相比，趨于對電磁波的傳輸形成一定的阻礙，降低傳播速率，因此在毫米波電路板中通常會選用低Dk值電路材料。

因為空氣中存在一定程度的電磁能量，所以微帶線電路會向外輻射到空氣中，類似于天線。這會給微帶線電路造成不必要的輻射損耗，損耗會隨頻率的增加而增加，也為研究微帶線的電路設(shè)計人員帶來限制電路輻射損耗的挑戰(zhàn)。為了降低輻射損耗，可以用Dk值較高的電路材料加工微帶線。但是Dk的增加會減慢電磁波傳播速率（相對于空氣），造成信號相移。另一種方法是通過使用較薄的電路材料加工微帶線來降低輻射損耗。但是與較厚的電路材料相比，較薄的電路材料更易受銅箔表面粗糙度的影響，進而也會造成一定的信號相移。

盡管微帶線電路配置簡單，但是毫米波頻段下的微帶線電路需要精密的容差控制。例如需要嚴格控制的導體寬度，而且頻率越高，容差會越嚴格。因此，毫米波頻段下的微帶線對加工工藝變化，以及材料中的介質(zhì)材料和銅的厚度等非常敏感，對于所需的電路尺寸的容差要求非常嚴格。

帶狀線是一種可靠的電路傳輸線技術(shù)，能夠在毫米波頻率發(fā)揮良好性能。但是與微帶線相比，帶狀線導體被介質(zhì)包圍，因此不易于將連接器或其它輸入/輸出端口連接到帶狀線上進行信號傳輸。帶狀線可以被視為類似于一種扁平同軸電纜，導體被介質(zhì)層包裹，然后用地層覆蓋。這種結(jié)構(gòu)可以提供優(yōu)質(zhì)的電路隔離效果，同時使信號傳播保持在電路材料內(nèi)（而非周圍的空氣中）。電磁波始終通過電路材料傳播，可以根據(jù)電路材料的特性模擬帶狀線電路，無需考慮空氣中的電磁波影響。但是，被介質(zhì)包圍的電路導體易受加工工藝變化的影響，而且信號饋入的挑戰(zhàn)使帶狀線難以應(yīng)對，尤其是在毫米波頻率下連接器尺寸更小的條件下。因此，除汽車雷達應(yīng)用的一些電路外，帶狀線通常不用于毫米波電路。

基于SIW技術(shù)可以設(shè)計有源和無源的電路，已經(jīng)被用在汽車雷達和其它毫米波應(yīng)用中，例如諧振器和濾波器。這種電路可在較高的頻率下獲得低損耗信號傳播，但是和其它電路技術(shù)一樣，SIW技術(shù)也需要平衡在毫米波頻率下的優(yōu)勢和挑戰(zhàn)。

在SIW結(jié)構(gòu)中，是利用一個上部金屬層、一個下部地層和金屬層與地層之間的幾排電鍍通孔（PTH）形成一個電路信號通路。實際上，它構(gòu)成一個用介質(zhì)材料填充的緊湊矩形波導。它能夠在毫米波頻率下保持低損耗特性，但是PTH必需在非常嚴格的容差內(nèi)，尤其是在較高頻率條件下。因此，SIW易受電路加工工藝變化的影響。同時，毫米波頻段下的SIW電路需要使用Dk變化最小的電路材料，而且在電路加工期間，需要進行精密鉆孔孔徑和位置，并保持嚴格的鉆孔容差，所以在毫米波頻率條件下實現(xiàn)SIW電路也有一定的難度。

相比而言，利用GCPW結(jié)構(gòu)并使用低Dk電路材料加工制成的電路，被廣泛用于寬頻RF/ 微波/毫米波頻率范圍的電路中，如在試驗/ 測量等應(yīng)用。介質(zhì)和銅導體的對稱結(jié)構(gòu)能夠在較高頻率下實現(xiàn)低損耗?；贕CPW的毫米波電路通常與低頻微帶線電路結(jié)合在一起使用，例如接收機的中頻電路，因此需要使用符合這兩種電路技術(shù)要求的材料。

GCPW電路能夠在毫米波頻率下實現(xiàn)可重復的一致性能，但是也需要電路加工變量得以嚴格控制，且與低損耗電路材料結(jié)合使用，才能實現(xiàn)最佳效果。通常，在設(shè)計時GCPW導體被假設(shè)是矩形的，但是實際加工后的導體通常是梯形的。在毫米波頻率下，導體形狀和厚度變化可能造成信號相位的變化（圖2）。GCPW電路對加工工藝的要求與微帶線和SIW有一些相似之處，如與微帶線相同的是，必須盡量減少導體寬度和厚度的變化；與SIW相同的是，GCPW PTH必須準確定位，盡量減少阻抗變化和損耗，形成一個一致、連續(xù)的傳播通路。

圖2、GCPW電路導體設(shè)計仿真是矩形的（上圖），但是導體被加工后成梯形（下圖），會對毫米波頻率產(chǎn)生不同影響。

對于對信號相位響應(yīng)敏感的許多新興毫米波電路應(yīng)用（例如汽車雷達）來說，應(yīng)盡量減少造成相位不一致的原因。毫米波頻率的GCPW電路易受材料和加工工藝變化的影響，包括材料Dk值和基板厚度的變化。其次，電路性能可能受銅導體厚度和銅箔表面粗糙度的影響，因此應(yīng)將銅導體厚度保持在一個嚴格的容差內(nèi)，同時應(yīng)盡量減小銅箔表面粗糙度。再次，GCPW電路上表面鍍層的選擇也可能影響電路的毫米波性能。例如，使用化學鎳金的電路，鎳的損耗比銅多，鍍鎳面層會增加 GCPW或微帶線上的損耗（圖3）。最后，由于波長小，所以鍍層的厚度變化也會造成相位響應(yīng)變化，且GCPW的影響比對微帶線的影響大。

圖 3 圖示的微帶線和GCPW電路用相同電路材料（羅杰斯公司的8mil厚RO4003C?層壓板），在毫米波頻率下，ENIG對GCPW電路的影響遠遠大于對微帶線的影響。