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探索高頻毫米波頻率在不同高頻材料中的性能

發(fā)布人:瑞興諾pcb 時(shí)間:2023-04-27 來源:工程師 發(fā)布文章

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(shì)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(jì)并制出實(shí)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?yán)走_(dá)應(yīng)用中的信號(hào)頻率在30和300GHz之間變化,甚至?xí)椭?4GHz,這些信號(hào)借助于不同電路功能,通過微帶線、帶狀線、基板集成波導(dǎo)(SIW)和接地共面波導(dǎo)(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(shí)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(jiǎn)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(diǎn)和缺點(diǎn),例如,微帶線雖然易于加工,但是當(dāng)在毫米波頻率下使用時(shí)必須解決較高的輻射損耗問題。

PCB選擇及從微波向毫米波頻段設(shè)計(jì)過渡的考慮

圖1、當(dāng)向毫米波頻率過渡時(shí),微波電路板設(shè)計(jì)人員需要面對(duì)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(huì)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(dǎo)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(shí)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(duì)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(huì)選用低Dk值電路材料。

因?yàn)榭諝庵写嬖谝欢ǔ潭鹊碾姶拍芰?,所以微帶線電路會(huì)向外輻射到空氣中,類似于天線。這會(huì)給微帶線電路造成不必要的輻射損耗,損耗會(huì)隨頻率的增加而增加,也為研究微帶線的電路設(shè)計(jì)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(huì)減慢電磁波傳播速率(相對(duì)于空氣),造成信號(hào)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(jìn)而也會(huì)造成一定的信號(hào)相移。

盡管微帶線電路配置簡(jiǎn)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(yán)格控制的導(dǎo)體寬度,而且頻率越高,容差會(huì)越嚴(yán)格。因此,毫米波頻段下的微帶線對(duì)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(duì)于所需的電路尺寸的容差要求非常嚴(yán)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(dǎo)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(jìn)行信號(hào)傳輸。帶狀線可以被視為類似于一種扁平同軸電纜,導(dǎo)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(shí)使信號(hào)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(dǎo)體易受加工工藝變化的影響,而且信號(hào)饋入的挑戰(zhàn)使帶狀線難以應(yīng)對(duì),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?yán)走_(dá)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(jì)有源和無源的電路,已經(jīng)被用在汽車?yán)走_(dá)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(hào)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(shì)和挑戰(zhàn)。

在SIW結(jié)構(gòu)中,是利用一個(gè)上部金屬層、一個(gè)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(gè)電路信號(hào)通路。實(shí)際上,它構(gòu)成一個(gè)用介質(zhì)材料填充的緊湊矩形波導(dǎo)。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(yán)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(shí),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(jìn)行精密鉆孔孔徑和位置,并保持嚴(yán)格的鉆孔容差,所以在毫米波頻率條件下實(shí)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(yàn)/ 測(cè)量等應(yīng)用。介質(zhì)和銅導(dǎo)體的對(duì)稱結(jié)構(gòu)能夠在較高頻率下實(shí)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(jī)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(shí)現(xiàn)可重復(fù)的一致性能,但是也需要電路加工變量得以嚴(yán)格控制,且與低損耗電路材料結(jié)合使用,才能實(shí)現(xiàn)最佳效果。通常,在設(shè)計(jì)時(shí)GCPW導(dǎo)體被假設(shè)是矩形的,但是實(shí)際加工后的導(dǎo)體通常是梯形的。在毫米波頻率下,導(dǎo)體形狀和厚度變化可能造成信號(hào)相位的變化(圖2)。GCPW電路對(duì)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(dǎo)體寬度和厚度的變化;與SIW相同的是,GCPW PTH必須準(zhǔn)確定位,盡量減少阻抗變化和損耗,形成一個(gè)一致、連續(xù)的傳播通路。

PCB選擇及從微波向毫米波頻段設(shè)計(jì)過渡的考慮

圖2、GCPW電路導(dǎo)體設(shè)計(jì)仿真是矩形的(上圖),但是導(dǎo)體被加工后成梯形(下圖),會(huì)對(duì)毫米波頻率產(chǎn)生不同影響。

對(duì)于對(duì)信號(hào)相位響應(yīng)敏感的許多新興毫米波電路應(yīng)用(例如汽車?yán)走_(dá))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(dǎo)體厚度和銅箔表面粗糙度的影響,因此應(yīng)將銅導(dǎo)體厚度保持在一個(gè)嚴(yán)格的容差內(nèi),同時(shí)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(xué)鎳金的電路,鎳的損耗比銅多,鍍鎳面層會(huì)增加 GCPW或微帶線上的損耗(圖3)。最后,由于波長(zhǎng)小,所以鍍層的厚度變化也會(huì)造成相位響應(yīng)變化,且GCPW的影響比對(duì)微帶線的影響大。

PCB選擇及從微波向毫米波頻段設(shè)計(jì)過渡的考慮

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(duì)GCPW電路的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于對(duì)微帶線的影響。


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