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Rog博客由罗杰斯公司(Rogers Corporation)的John Coonrod及其他专家提供,包括有关RF/微波材料的技术咨询和信息。
越薄的电路材料更利于实现毫米波电路性能
录入时间:2016/4/1 13:43:39

材料厚度越薄对高频电路层压板而言是一件好事。当电路的工作频率很高甚至到毫米波波段时,相比于较厚层压板材料,越薄PCB(印刷电路板)层压板可以为电气性能提供更多好处且同时改善机械性能,这在罗杰斯公司几年前的博客中就有详细阐述(参见“薄型材料有助于实现高频应用”)。对于需要特别考量重量和尺寸的应用,比如便携式设备和移动产品,越薄电路层压板材料是实现小型化和轻量化方案的重要起点。从电气性能角度来看,越薄的层压板可以带来很多好处,尤其对于毫米波频段的微带线电路。

微带线是射频/微波电路中一种使用最为广泛的传输线技术。正如罗杰斯公司博客中多次提到,微带线电路的性能优化高度依赖电路层压板的选用。获得最优的电路性能是电路材料各种参数的正确组合,比如Dk(介电常数)一致性、高品质铜箔导体以及正确选取层压板厚度。理想情况下,正确选取层压板参数的组合及合适厚度后,微带线电路可实现最优的电气性能,包括低插损、干扰信号谐振抑制以及杂散信号抑制。

然而,对微带电路来说越厚的层压板越容易引起问题,这里的层压板厚度仅指基材厚度而不包括铜层厚度。当微带线电路的介质较厚时很容易产生干扰谐振。这些谐振在信号线与地之间振荡且会干扰微带传输线中准-TEM(横电磁模)信号的传输。

当尝试减小微带线电路中的杂散信号产生时,导体宽度过宽也是一个问题。如果微带线导体宽度超过了工作频率对应的八分之一波长,导体边缘之间就会产生谐振。这些杂散模谐振同样会干扰微带线导体中有用信号的传输。由于波长随着频率升高而减小,为防止杂散产生,就必须注意选用电路结构以及电路材料的尺寸。尤其在毫米波频段(频率大于30GHz),其所对应的波长很短,仔细权衡电路层压板厚度和电路尺寸以达到最优电路性能变得非常重要。

更短的波长需要更薄的层压板来降低杂散信号的产生。与此同时,较窄的电路导体宽度也有助于防止导体边缘之间产生杂散谐振。在高频段,微带线导体宽度的设计和加工通常是控制在50Ω的特征阻抗值来实现信号的低损耗和低反射传输。满足PCB上控制的50Ω特定阻抗值的导体宽度也为抑制导体边缘之间的谐振提供了电路物理条件。

正如先前罗杰斯公司博客中提到,电路层压板的Dk在实现特定阻抗设计值,以及所需导体宽度等的电路尺寸中扮演了重要角色。对于给定的层压板厚度、设计频率和微带线阻抗,电路尺寸将随着Dk值的增大而减小。因此,基于高Dk值PCB材料的微带线以及其他形式传输线的设计和加工均有助于实现电路的小型化。

电路介质层越薄越有利于控制电路的EMI(电磁干扰)。随着微带线电路工作频率升高,电路将辐射更多的EM(电磁)能量。当辐射的电磁能量足够大时,它将干扰自身电路及周边电路的正常工作。而在相同工作频率下,越薄的微带电路辐射的EM能量越低。因此,使用更薄介质厚度的电路有利于降低电路的EMI。而且,更低的辐射损耗也意味着更低的信号损耗。

微带线是诸多高频电路设计中实用且简单的传输线技术,但并非对所有设计都是最佳的选择,特别是对杂散信号和辐射影响敏感的电路。GCPW(接地共面波导)是另一种常用的传输线技术且可有效减小杂散和EM辐射。尽管使用越薄的介质层可以获得更好的性能,但GCPW传输线也可以用在较厚的介质层电路中。在相同频率、电路材料和厚度条件下对比微带线和GCPW可以发现,GCPW电路具有更低的杂散信号和更小的EM辐射。

选用高频电路中传输线技术以及电路层压板厚度时通常也考虑色散的影响。色散是传输线的一个特征,相同电路介质材料上的不同传输线随频率表现出不同的相速或者群延迟,通常传输线中高频短波所对应的相速将更低。对于窄带电路,色散影响基本可忽略。但对宽带、长电路(长延时)的色散影响显著,甚至是脉冲波形信号也有较大影响,因为与传输线的长群延时类似,高速脉冲信号在同一传输线中的传输时间将不同。不同传输线之间的色散特性有所不同:微带线及其他一些波导相比于带状线及GCPW等无色散传输线具有更长的群延迟。

对于高频电路,虽然GCPW比微带线电路具有更低的色散,但其加工工艺比微带线更难以控制,特别是在毫米波频段需要尺寸精度要求和电路特征时尤为如此。GCPW对PCB加工工艺中镀铜厚度的影响比微带线电路更敏感,更容易导致电路与电路间的插入损耗和相位响应产生差异。除非镀铜厚度偏差、Dk偏差及层压板厚度偏差均能有效控制来减小电路间的差异,否则GCPW相比于微带线的色散优势将不复存在。倘若电路层压板的这些偏差均受严格控制,越薄的电路材料可以为电路带来更多好处。

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(本文由英文翻译而来,如出现差异,请以英文为准)


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