近年来，毫米波频率的应用越来越广泛，例如毫米波汽车雷达，以及即将到来的5G无线网络。诸如60GHz或77GHz毫米波频率的电路设计都必须采用低损耗电路，因此加工这样的电路肯定需要选择合适的线路板材料。在如此高的频率下选择线路板材料，必须要知道哪些电路和材料参数对电路性能具有最大影响，从而找到有利于这些毫米波频率特性的材料。

ROG博客之前的一篇文章探讨了毫米波频率下不同传输线的特性（请参考ROG博客文章《浅析用于毫米波电路的传输线技术》）。那么，接下来将研究哪些线路板材料参数会在毫米波频率上产生较大的差异。 ROG的一系列博客一直在强调对于RF /微波应用的某些材料参数的重要性，例如介电常数（Dk）和耗散因子（Df）。在毫米波频率下随着波长和电路尺寸变小，各种线路板材料的参数需要更严格的公差。众所周知，对于一个给定的阻抗值，采用高Dk值线路板材料会使电路尺寸变得更小。因此毫米波电路设计工程师通常选择具有较低Dk值的线路板材料，典型地，Dk值约为2至4之间，或平均Dk值为3。

对于在特定频率下的微带传输线，线路板材料的Dk值将决定微带阻抗线的宽度。 然而，在毫米波频率下，比Dk值更重要的应该是材料Dk值的一致性。 如果Dk值的公差较大，就会直接导致微带线以及其它传输线的阻抗变化，例如带状线和接地共面波导（GCPW）。

许多因素都会对高频电路的Dk带来影响，并且这些不同的因素都可以影响毫米波频率下的电路性能。虽然不同的测试方法测得的电路材料Dk值略有差异，但是，确定电路在该材料上性能的实际Dk值（罗杰斯公司称为“设计Dk”）是由电路周围的空气、线路板介质材料、铜箔导体的粗糙度、以及电路特征等多种因素综合作用的结果。 设计Dk（其中电路材料介质的Dk值是“设计Dk”的一部分）比在计算机仿真软件中来预测电路性能的线路板材料Dk更可靠，因为它能更精确地表示实际电路呈现出来的Dk值。

设计Dk的变化会导致阻抗的变化，其在较高频率下可能会更显著。 例如，对于毫米波汽车雷达系统，设计Dk的变化可能会导致相位角变化，从而导致雷达检测产生误差。 对于毫米波应用，与PCB相关的任何变化都应该最小化，无论它们是否涉及Dk（比如电路厚度，甚至导体宽度）。 设计Dk的变化可能会由PCB材料本身造成，也可能是材料在不同环境（例如温度、水分、湿度）下的影响产生。

线路板材料的Dk值随温度变化可以用介电常数热稳定系数（TCDk）参数来描述。线路板材料的Dk因吸收水份而产生变化可以用其吸水率来描述。高湿度环境中的电路通常会吸收水份。

对于毫米波线路板材料，也要关注材料的组成。因为不同材料的配方组成会导致不同的TCDk，以及DK值如何随温度发生变化。一些线路板材料，例如FR-4和纯聚四氟乙烯（PTFE），Dk值会随着温度的变化而发生较大变化，缺乏在毫米波频率保持恒定阻抗所需要的一致性。但是具有Dk稳定温度系数（低TCDk）的材料，例如具有某些特殊的陶瓷填料的PTFE材料，能够保持随温度变化几乎恒定的Dk。并且在极具恶劣的应用环境中证明了Dk随温度的稳定性，例如用于毫米波汽车传感器应用。

选择“厚”还是“薄”？

由于毫米波电路的波长短，介质基板厚度和导体宽度的变化对PCB性能具有显著影响。与线路板材料Dk一起，介质基板厚度在确定该线路板材料上的传输线阻抗方面起主要作用。 对于微带电路，在线路板材料各种参数中，电路厚度的变化对阻抗变化的影响最大，接下来的影响阻抗变化的电路材料参数依次是导体宽度，铜厚，最后是材料Dk的变化。

通常PCB的铜厚是指电路中总的铜厚，包括PCB板材的铜厚，以及后期PCB加工的镀铜厚度。铜厚度的变化比材料Dk的变化对阻抗的影响更大。为了保证毫米波电路的高性能和一致的阻抗特性，当导体的宽度和介质基板厚度的变化影响确定后，电路设计工程师应该把减小铜厚和材料Dk变化放在故障排查列表的首要位置。 所有的这些材料参数在不同程度上都对确定毫米波频率处的电路阻抗起到作用。减小这些材料参数变化的特殊的线路板材料和制造工艺有助于提高板材一致性，让电路在毫米波频率具有更高的性能。

理想情况下，适合毫米波应用的线路板材料也应具有低吸水率，因为线路板吸收水分会影响材料的Dk值和高频性能。毫米波电路因其具有波长短的电路特征，其首选具有低Dk值（约3）的线路板材料。但是如果材料吸收水分，即使是很小比例的水分，那么线路板就不能保持低Dk值。水的DK值高达70，该值还是会随着频率变化而发生改变：所以不难理解，材料吸收的水分越多，例如在高湿度的条件下，其Dk升高越多，并且会导致电路阻抗的变化和相位角的变化。

没有哪一种材料具有作为毫米波电路应用材料所需的所有特性。 但是罗杰斯公司的RO3003™线路板材料具有许多优异的指标，使其能成为毫米波电路的首选板材。 它具有3.00±0.04的低Dk，且随频率变化非常稳定；低TCDk特性（能保持随温度变化一致的Dk）、低损耗因子和0.04％的低吸水率。其在77 GHz汽车雷达系统中广泛应用已经证明该线路板在毫米波频段下的可靠性，并且具有能够制造加工出高性能毫米波电路所需的电气特性。

说明：本ROG博客基于笔者在2017年2月14日星期二在圣地亚哥会议中心（圣地亚哥，CA）IPC APEX EXPO 2017上所做的“Understanding Circuit Material Performance Concerns for PCBs at Millimeter-Wave Frequencies”（ 深入理解毫米波频率下PCB电路材料的性能）的演讲。 报告中包含了线路板材料以及制造工艺的变化如何影响毫米波频率的性能。

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(本文由英文翻译而来，如出现差异，请以英文为准)