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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。
为印刷电路天线选择适当的基材
录入时间:2012-10-9 9:49:42

印刷电路天线必须在小巧的封装内提供强大的性能,特别是对于现代的固定及移动无线终端。某些情况下,印刷电路天线必须提供高增益、轻重量或者处理很高的功率电平。电路板层压板材料的选择,对印刷电路天线的尺寸和性能有十分重要的影响,如在射频和微波频段上实现最高增益。在为印刷电路天线选择适当的电路板层压板时,深刻理解与天线性能有关的层压板材料参数将大有裨益。

印刷电路天线是在一面或两面覆有铜箔的、由介质材料构成的层压板上制造而成。介质材料可能含有玻璃纤维、陶瓷或其他填充物,以改善电气和机械稳定性。可以在层压板的一面或两面,或者利用多层层压板材料,制造印刷电路天线。如果使用了不止一面,则通常利用绝缘层中的镀通孔(PTH)实现导体层的电气连接。天线阵列由多个天线单元组成,每个天线单元都具备各自的馈源。通过调节这些天线单元之间的相位,可以实现天线阵列方向图的电动控制,而不必移动天线系统的物理位置。

如何为印刷电路天线选择适当的层压板?这需要设计者不仅深刻理解应用要求,包括电气性能、尺寸和重量,而且懂得如何根据其性能参数,对不同材料作比较。基材的参数包括,介电常数、耗散因子和热膨胀系数(CTE)。上一篇博文概括介绍了相对介电常数(εr)及其与电路板材料的关系。用于制造印刷电路天线的基材的相对介电常数,一般在3.010.3左右的范围内,以基材的z轴或厚度上测得值为准。

简而言之,使用低介电常数的材料来制造印刷电路天线,通常也意味着使用能够提供更高天线增益的低损耗材料。但是,低介电常数也会影响天线尺寸。天线在谐振频率上工作,这通常是通过在感兴趣频率的部分波长上构建微带线或带状线谐振结构来实现。谐振结构的尺寸相当于完整的波长,与基材的介电常数有关。在特定频率上,相对介电常数值越高的材料,可实现的谐振结构越小。然而,更高介电常数的代价通常是,提高损耗或耗散因子,从而降低天线增益。对于必须处理很高功率电平的天线设计而言,高损耗也是值得注意的问题,特别是在传输应用中。

对于大型天线,整个基材上的介电常数应当尽可能一致,因为介电常数的偏差会直接影响天线在其工作带宽范围内的阻抗、电流幅度和相位。也可利用被称为介电常数热系数的参数,来评估当温度变化时,基材的介电常数的稳定性。通常情况下,材料供应商可能会将诸如聚四氟乙烯(PTFE)等优质介电材料与玻璃纤维等强化材料相混合,以提高介电常数在温度波动情况下的稳定性,同时改善材料的机械性能。

设计在高功率电平下工作的电路时,通常需要考虑CTE和另一个材料参数——导热系数。同许多其他基材参数一样,CTE值是在三个方向上测得的。通常情况下,铜箔压合在基材介质层上,因此,其在xy轴上的CTE值应当尽可能接近铜的CTE值,即17 ppm/ºC左右。在基材的z轴或厚度方向上,CTE值应当尽可能低,以确保多层天线结构中PTH连接的稳定性。可以根据导热系数来比较不同层压板材料将电路产生的热量传递和消散至外壳、散热器或其他散热结构等的能力。

对用于制造印刷电路天线的实际的电路板层压板而言,这些材料参数的意义何在?诸如基于PTFE的层压板等具备低损耗、低介电常数的材料,通常以其在微波频率上实现高增益的能力,而备受青睐,尽管相比于诸如FR-4等低成本(同时性能也更低)的材料,诸如PTHPTFE材料要求进行更加繁琐的结构加工。例如,作为适用于制造印刷电路天线的PTFE复合材料之一,罗杰斯公司推出的RT/duroid® 6002 PTFE复合材料可在10 GHz频率上提供2.94 ± 0.04的相对介电常数和0.0012的耗散因数,并在z轴上实现仅24 ppm/°C的低CTE。其导热性为0.60 W/m/K。尽管拥有卓越的电气性能,采用这种低介电常数材料的印刷电路天线的尺寸,比采用具备较高介电常数的材料的尺寸要大。

与之相反,罗杰斯公司的RO3200™系列材料则是一种玻璃纤维编织布强化型低成本陶瓷填充层压板。在10 GHz频率上,它可以提供三种不同的介电常数:3.026.1510.2(公差分别为±0.040±0.15±0.50),允许天线设计人员根据最终电路尺寸及性能方面的其他考虑,做出合理的选择。

对于移动基础设施网络,天线重量也是一个不容忽视的问题。罗杰斯公司的RO4730™ LoPro™天线级层压板是专门针对天线应用而打造的产品,不但拥有低介电常数材料的诸多优点,而且不会像一般的PTFE层压板那样加重天线重量。RO4730 LoPro材料的介电常数为3.0,采用中空玻璃球作为填充材料,相比于玻璃纤维强化型PTFE层压板,重量减轻了30%。此外,这种材料还采用了具备出色的低损耗、低失真品质的低粗糙度铜箔。

这些低密度热固树脂材料拥有一项在天线设计中越来越受重视的优异材料参数:无源互调(PIM)性能。从实质上讲,PIM是现代无线通信信号中使用的多信号载波类型的混合调制效应,造成的寄生信号生成量。高性能天线材料的PIM值极低。在1900 MHz频率上,以+43-dBm 信号强度进行的双频测试中,RO4730 LoPro层压板表现出高于-154 dBcPIM性能。这种层压板采用反转处理的电解铜箔和专有表面处理,将铜箔牢牢地粘合在热固树脂介质材料上,从而实现了如此出众的性能。


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