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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。
浅析如何选择适合毫米波的传输线和线路板材料
录入时间:2017/8/2 10:27:40

2017年在美国夏威夷檀香山举办的国际微波技术展上(IMS 2017),大部分的展台产品都是关于毫米波器件和电路的。曾经一度,30 GHz以上的频率在民用领域是凤毛麟角,而仅仅用于军事或科学应用。但随着科技飞速发展,可用频谱资源日益紧张。现在毫米波频率已经开始应用于商用车载雷达,并在第五代(5G)无线通信网络中为毫米波应用做了大量规划,以用于支持高速传输的海量数据。越来越多的设计工程师正面临需要在77GHz及以上频率研发设计毫米波电路。但是,首先,工程师们必须为这些高频电路设计选择合适的传输线技术,同时还需要选择适合的线路板材料来保证这些电路的质量,降低传播信号的损耗。不久的将来,各地的驾驶员和手机用户都将成为毫米波技术的使用者和受益者。

在微波频率下,与带状线和共面波导(CPW)相比,微带线依然是迄今为止最受欢迎的传输线技术。它使用顶部铜层形成信号平面和底层形成接地平面,结构简单,性价比相对较高,并能够满足不同结构的表面安装要求。

不幸的是,随着信号频率提高到毫米波范围,微带电路会表现出类似天线的属性。信号会沿着传播路径向外发射电磁(EM)能量,从而导致比低频高得多的辐射损耗。此时降低辐射损耗成为电路设计的一部分。微带线的辐射损耗同时取决于电路所使用的基板材料的厚度和介电常数(Dk)。基于较薄的基板电路辐射损耗会更小。此外,基于较高Dk值的线路板材料的电路具有更小的辐射损耗。

在微带线中,有效Dk是指介质基板材料与空气组合之后的Dk,因为微带传输线中的EM波部分通过电介质传播,部分通过其上方的空气传播。 与微带线相比,带状线类似扁平的同轴电缆。 它的中心导体由顶部和底部电介质层所包围,而电介质层又由接地平面覆盖。 带状线的Dk与介质材料的Dk相同,因为其传播过程不涉及到空气。

共面波导(CPW)电路有许多种不同结构,包括标准的接地共面波导(GCPW)和导体衬底共面波导(CBCPW)。标准CPW在电介质层的顶部(以平面波导的形式)放置金属的平行导体,并在紧邻中心导体的两侧制作出接地导体平面。GCPW增加了一个底部接地层,但是需要通过电介质基板材料的金属通孔(PTH)来连接顶部和底部接地层。顶层的额外接地平面有助于GCPW实现信号线之间的高隔离度,并减小寄生波传播模式。PTH通孔的放置是至关重要的,其可以影响传输线的阻抗和损耗。

像微带线一样,由于EM波同时通过介质基板材料以及导体周围的空气传播,因此GCPW也具有有效介电常数。GCPW也可以实现组件的表面安装,从而方便加工制造;相比之下带状线则需要用PTH通孔来实现外部电路组件与内部信号层之间的连接。在毫米波频段,GCPW具有比微带线更低的色散,更小的辐射损耗,并且能够支持比微带线更高频率的信号传播。而且,GCPW能更有效地抑制寄生传播,并且比微带线更适合在毫米波频率下完成实际信号过渡设计(例如波导、电缆或连接器)。

寻找正确的线路板材料

如果GCPW是应用于毫米波电路的最佳传输线,它就应该在具有最佳毫米波频率特性的线路板材料上来加工。由于信号传输功率因电路损耗会随着频率的增加而降低,所以用于毫米波电路的最佳线路板材料应该具有低损耗。毫米波传输线的插入损耗主要是由上述辐射损耗、导体损耗和介质损耗引起。辐射损耗往往是由设计因素决定,而导体损耗和介电损耗将取决于线路板材料本身。

介电损耗是介电材料类型的函数,通常由材料的耗散因数(Df)来定义,较低的值表示较低的介质损耗。 能够在毫米波频率下具有一致性能的线路板材料其Dk也表现出最小的变化,使得介电损耗不会随频率剧烈变化。

在考虑用于毫米波电路应用的线路板材料时,介电常数的温度系数(TCDk)参数能够可靠的洞察材料的DK和温度稳定性。TCDk参数可以用来评估特定线路板材料在毫米波频率下的性能。其中较低的TCDk值表示Dk随温度变化较小,并且由于Dk随温度变化而导致的频率相位响应变化较小。

导体损耗在毫米波频率下与多个变量相关,包括铜导体的表面粗糙度和导体表面处理的选择。铜是一种优良的导体,但是其表面粗糙度的增加会导致导体损耗增加和传播相位延迟更大。铜表面粗糙度的主要指铜与介质交界面,由于铜表面粗糙度的影响导致损耗随着频率的增加而增加。毫米波信号的较小波长导致作为EM波传播具有较小的趋肤深度。这样较大铜表面粗糙度的线路板材料将更严重地影响毫米波频率处的插入损耗和相位响应。铜表面粗糙度对插入损耗的影响也取决于线路板材料的厚度,较薄的电路受铜表面粗糙度的影响比厚的电路更大。

在毫米波频率下,与GCPW电路的导体损耗相比,具有较大铜表面粗糙度的线路板材料对微带电路的导体损耗有更大的影响。这也就意味着,具有更平滑的铜光洁度的线路板材料对GCPW电路导体损耗性能的改善比微带电路更小,尤其是在毫米波频率下。特别地,紧耦合的GCPW电路(其具有窄间隔的导体和接地区域)比松耦合的GCPW电路(具有更大的导体和接地间距)受到铜表面粗糙度的影响小。

用于毫米波电路的最佳线路板材料应该具有最小的相位变化,因为这种特性对于许多毫米波应用(例如77GHz车载雷达系统)是至关重要的。通过减小某些基于材料的属性(例如铜厚度,Dk,导体宽度和介质厚度)的变化,毫米波频率下的相位变化可以最小化。

关于线路板材料和传输线技术正确组合的更多细节可以参考微波杂志的网络研讨会 “Design Considerations and Tradeoffs for Microstrip, Coplanar and Stripline Structures at Millimeter-wave Frequencies” 的部分说明,该讲座由罗杰斯公司的John Coonrod讲解。

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