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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。
PCB选择及从微波向毫米波频段设计过渡的考虑
录入时间:2022/1/10 7:49:43

毫米波频段因具有更大的带宽优势而逐渐被更多的应用。5G无线网络和ADAS汽车等许多新兴应用的电路开发者正面临着设计并制出实际可行的30到300GHz电路解决方案的挑战。本篇罗杰斯博客由两部分组成,正如第一部分所介绍的,制作用于毫米波频率的印刷电路板(PCB),需考虑从微波电路向毫米波电路升级转型时的电路材料特性。本篇是第二部分,探索了经常用在微波频率下的不同电路技术以及不同电路材料是如何影响高频毫米波电路性能的。

汽车雷达应用中的信号频率在30和300GHz之间变化,甚至会低至24GHz,这些信号借助于不同电路功能,通过微带线、带状线、基板集成波导(SIW)和接地共面波导(GCPW)等不同传输线技术传播。这些传输线技术(图1)通常在微波频率下使用,有时也在毫米波频率下使用,都需要使用专门用于这种高频率条件的电路层压板材料。 微带线作为最简单、最常用的传输线电路技术,采用常规的电路加工工艺即可能够实现较高的电路合格率。但频率升高至毫米波频率,它可能不是最好的电路传输线。每种传输线都有自己的优点和缺点,例如,微带线虽然易于加工,但是当在毫米波频率下使用时必须解决较高的辐射损耗问题。

图1 当向毫米波频率过渡时,微波电路设计人员需要面对微波频率下的至少四种传输线技术的选择

微带线的开放性结构虽然方便物理连接,但是在较高频率下也会产生一些问题。在微带传输线中,电磁(EM)波通过电路材料的导体和介质基板传播,但是还有部分电磁波通过周围的空气传播。由于空气的低Dk值,造成电路的有效Dk值低于电路材料的Dk值,在电路仿真时必须予以考虑。利用高Dk值材料加工制成的电路,与低Dk相比,趋于对电磁波的传输形成一定的阻碍,降低传播速率,因此在毫米波电路中通常会选用低Dk值电路材料。

因为空气中存在一定程度的电磁能量,所以微带线电路会向外辐射到空气中,类似于天线。这会给微带线电路造成不必要的辐射损耗,损耗会随频率的增加而增加,也为研究微带线的电路设计人员带来限制电路辐射损耗的挑战。为了降低辐射损耗,可以用Dk值较高的电路材料加工微带线。但是Dk的增加会减慢电磁波传播速率(相对于空气),造成信号相移。另一种方法是通过使用较薄的电路材料加工微带线来降低辐射损耗。但是与较厚的电路材料相比,较薄的电路材料更易受铜箔表面粗糙度的影响,进而也会造成一定的信号相移。

尽管微带线电路配置简单,但是毫米波频段下的微带线电路需要精密的容差控制。例如需要严格控制的导体宽度,而且频率越高,容差会越严格。因此,毫米波频段下的微带线对加工工艺变化,以及材料中的介质材料和铜的厚度等非常敏感,对于所需的电路尺寸的容差要求非常严格。

带状线是一种可靠的电路传输线技术,能够在毫米波频率发挥良好性能。但是与微带线相比,带状线导体被介质包围,因此不易于将连接器或其它输入/输出端口连接到带状线上进行信号传输。带状线可以被视为类似于一种扁平同轴电缆,导体被介质层包裹,然后用地层覆盖。这种结构可以提供优质的电路隔离效果,同时使信号传播保持在电路材料内(而非周围的空气中)。电磁波始终通过电路材料传播,可以根据电路材料的特性模拟带状线电路,无需考虑空气中的电磁波影响。但是,被介质包围的电路导体易受加工工艺变化的影响,而且信号馈入的挑战使带状线难以应对,尤其是在毫米波频率下连接器尺寸更小的条件下。因此,除汽车雷达应用的一些电路外,带状线通常不用于毫米波电路。

基于SIW技术可以设计有源和无源的电路,已经被用在汽车雷达和其它毫米波应用中,例如谐振器和滤波器。这种电路可在较高的频率下获得低损耗信号传播,但是和其它电路技术一样,SIW技术也需要平衡在毫米波频率下的优势和挑战。

在SIW结构中,是利用一个上部金属层、一个下部地层和金属层与地层之间的几排电镀通孔(PTH)形成一个电路信号通路。实际上,它构成一个用介质材料填充的紧凑矩形波导。它能够在毫米波频率下保持低损耗特性,但是PTH必需在非常严格的容差内,尤其是在较高频率条件下。因此,SIW易受电路加工工艺变化的影响。同时,毫米波频段下的SIW电路需要使用Dk变化最小的电路材料,而且在电路加工期间,需要进行精密钻孔孔径和位置,并保持严格的钻孔容差,所以在毫米波频率条件下实现SIW电路也有一定的难度。

相比而言,利用GCPW结构并使用低Dk电路材料加工制成的电路,被广泛用于宽频RF/ 微波/毫米波频率范围的电路中,如在试验/ 测量等应用。介质和铜导体的对称结构能够在较高频率下实现低损耗。基于GCPW的毫米波电路通常与低频微带线电路结合在一起使用,例如接收机的中频电路,因此需要使用符合这两种电路技术要求的材料。

GCPW电路能够在毫米波频率下实现可重复的一致性能,但是也需要电路加工变量得以严格控制,且与低损耗电路材料结合使用,才能实现最佳效果。通常,在设计时GCPW导体被假设是矩形的,但是实际加工后的导体通常是梯形的。在毫米波频率下,导体形状和厚度变化可能造成信号相位的变化(图2)。GCPW电路对加工工艺的要求与微带线和SIW有一些相似之处,如与微带线相同的是,必须尽量减少导体宽度和厚度的变化;与SIW相同的是,GCPW PTH必须准确定位,尽量减少阻抗变化和损耗,形成一个一致、连续的传播通路。

图2 GCPW电路导体设计仿真是矩形的(上图),但是导体被加工后成梯形(下图),会对毫米波频率产生不同影响。

对于对信号相位响应敏感的许多新兴毫米波电路应用(例如汽车雷达)来说,应尽量减少造成相位不一致的原因。毫米波频率的GCPW电路易受材料和加工工艺变化的影响,包括材料Dk值和基板厚度的变化。其次,电路性能可能受铜导体厚度和铜箔表面粗糙度的影响,因此应将铜导体厚度保持在一个严格的容差内,同时应尽量减小铜箔表面粗糙度。再次,GCPW电路上表面镀层的选择也可能影响电路的毫米波性能。例如,使用化学镍金的电路,镍的损耗比铜多,镀镍面层会增加 GCPW或微带线上的损耗(图3)。最后,由于波长小,所以镀层的厚度变化也会造成相位响应变化,且GCPW的影响比对微带线的影响大。

图 3 图示的微带线和GCPW电路用相同电路材料(罗杰斯公司的8mil厚RO4003C™层压板),在毫米波频率下,ENIG对GCPW电路的影响远远大于对微带线的影响。

本博客和它的第一部分,以及关于毫米波电路的电路材料和传输线技术的其它信息,是依据作者在2021年IEEE国际微波研讨会(IMS)在线会议上的报告MicroApps编纂的,即:“使用PCB技术实现微波向毫米波转变的设计指导”,2021年IEEE IMS虚拟会议,2021年6月20日至25日。

您是否有任何设计或制造问题?罗杰斯公司的专家们将为您提供帮助。请登入罗杰斯技术支持中心,“询问工程师”。

参考文献

1. John Coonrod, “Concerning PCBs and the Transition from Microwaves to Millimeter Waves,” ROG Blog, Part 1, Microwave Journal, June 2021

2. John Coonrod, “Design Considerations and Tradeoffs for Microstrip, Coplanar, and Stripline Structures at Millimeter-Wave Frequencies,” Microwave Journal webinar, 2019.

3. John Coonrod, “Stripline Circuitry for Millimeter-Wave and Very High Speed Digital,” IEEE International Microwave Symposium (IMS), MicroApps sessions, June 9, 2021, Atlanta, GA.


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