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毫米波通路中的多少个要害成绩:设想传输线、取舍PCB板、功能优化
2020-10-23
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 撮要

正在高频通路设想中,能够采纳多种没有同的传输线技能来停止信号的传输,如罕见的同轴线、微带线、带状线和波导等。而关于PCB立体通路,微带线、带状线、共面波导(CPW),及介质集成波导(SIW)等是罕用的传输线技能。但因为这多少种PCB立体传输线的构造没有同,招致其正在信号传输时的场散布也各没有相反,从而正在PCB资料取舍、设想和使用,尤其是毫米波通路时体现出没有同的通路功能。白文将以毫米波下通用的PCB立体传输线技能开展,议论通路资料、设想等对于毫米波通路功能的反应,以及如何优化。

1. 小引

多少年前,毫米波通路还仅仅用来航天、卫星通讯、通讯回传等特别专部分畛域。但是,随着无线通讯技能的飞速停滞,对于更高的数据传输速率、更小的传输提早、更宽的带宽等需要驱使毫米波频段逐步被用正在挪动通讯遮盖相似,802.11ad WiGig,5G等畛域;随着自动保险驾御和将来无人驾御技能的停滞,公共汽车对于调焦测速的请求越来越高,毫米波也被运用正在如77GHz的公共汽车警报器畛域。然而,关于设想工事师来说,毫米波通路的设想与广播段段射频通路设想具有着明显的没有同。毫米波频段下没有同传输线技能的色散辐照或者高次模、阻抗婚配、信号的馈入技能等都将间接反应通路最终的功能。

2. 罕用传输线技能

如图1中场力线散布,微带线与GCPW的信号流传位置上并没有具有场重量。但因为这两种传输线的电、电场并没有彻底扩散布于电解质中,有少全体场力线坐落气氛中;招致信号正在电解质中与气氛中传输的TEM波的相速没有同,其界线面并没有能彻底完成相位婚配。因而这两种传输条形式是准TEM波形式。而带状线的场力线高低对于称散布于两头层介质中,因而带状线的传输形式是TEM波形式。

微带线,接地共面波导及带状线构造与场散布

图1 微带线,接地共面波导及带状线构造与场散布

SIW (Substrate integrated waveguide) 是近年来议论较多,介于微带与介质填充波导之间的一种新式传输线。SIW统筹保守波导和微带传输线的长处,可完成高功能微波/毫米波的立体通路。其构造如图2所示,SIW由高低两层非金属、内外两排非金属通孔、以及两头填充的介质形成。其将保守波导构造集成正在介质基片中,实践上是一种介质填充的波导构造。SIW 中的电波被制约正在高低非金属层和两排非金属孔之间的海域流传。因为直流电的散布状况,正在SIW中只能流传TEn0波而没有能流传TM 或者TEmn(n≠0)波,与矩形波导类似,SIW 传输的主模是TE10模。

SIW的构造与场散布

图2 SIW的构造与场散布

多少种PCB立体传输线技能有各自的长处和缺欠。相似SIW传输线,它存正在如可使用于超高频段、辐照低、消耗高等长处,但因为其设想难度大、加工艰难、没有易与其余部件集成等缺欠,使其绝对于于其余多少种传输线来说并没有被宽泛使用。

3. 辐照消耗

关于PCB传输线通路,拔出消耗次要囊括介质消耗、超导体消耗、辐照消耗和保守消耗多少个全体,是各族消耗因素的总数。走漏消耗一般是因为信号与地之间构成了走漏直流电而招致的能量的丧失。因为高频PCB资料存正在较大的体电阻,保守消耗很小,正常能够疏忽。通路的超导体消耗是传输线上信号门路的能量丧失,是由超导体本身的阻抗惹起。介质消耗则是由形成通路的通路资料的耗散因数所决议,取舍绝对于较小的消耗因数资料有益于通路总的拔出消耗的减小。

关于中广播段段通路,通路的拔出消耗次要由超导体消耗和介质消耗有决议。而随着通路所使用的频次的一直降低,信号跨度变短,尤其是正在毫米波频段,传输线的非闭合构造,以及传输线的横截面积与线宽等维持没有变而使通路的辐照消耗就变得没有可疏忽。微带传输线虽然绝对于于上述其余三种正在毫米波频段更简单发生辐照消耗和杂散模,但因为微带线存正在的加工简单、设想容易、情理分寸小、易于集成等诸多长处使得其依然用来毫米波通路。那样正在毫米波频段运用微带线时需求如何停止优化设想呢?

同种资料没有同薄厚下微带线的消耗

图3 同种资料没有同薄厚下微带线的消耗

通路资料薄厚的升高对于辐照消耗的减小,也能够看作是减小了通路中寄生杂散形式的发生。通路中所传输的信号常常蕴含多个频次重量。由微波通路实践晓得,当通路的薄厚或者幅度大于传输信号的1/8跨度时,通路将发生杂散模。如图4所示,当运用的通路资料较厚,设想同一阻抗如50Ω路线也会较宽,假如这一薄厚或者幅度与所传输信号中的跨度相比较时,通路的功能就将被好转。以16.6mil RO4350BTM资料设想的50Ω微带线为例,这时微带线的幅度是36mil。这一幅度对于应的1/4跨度的频次是46.5GHz,而对于应的1/8跨度的频次是23.8GHz。因而这一通路正在高频段如46.5GHz时功能较差,而正在小于23.8GHz时的稳定较小、功能较好。

 通路的跨度与杂散模

图4 通路的跨度与杂散模


4. 信号馈入的优化

毫米波频段传输线的优良路线设想和甄拔可使通路的功能失去优化,但要完成更好的功能,传输线的信号馈入设想也是无比主要的一度范围。信号馈入设想归于通路婚配设想的范围,优良的馈入设想可使信号能量无消耗和无反照的流入通路中,进一步晋升的通路功能。

4.1 微带线的信号馈入

微带线和GCPW的信号超导体均正在通路表层,它们的信号馈入示企图如图5所示。当联接器的核心超导体PIN与信号超导体彻底联接时,增多了信号馈入点出的库容性。由传输线实践能够晓得,微带线的特点阻抗与通路的感抗成正有关,与容抗呈反有关。通路中库容性的增多会使路线的阻抗升高,而库容性的减小(电理性增多)会使路线的阻抗增多。当馈入点处出现较大的库容性时,能够经过减小馈入点处路线面积来减小库容,使其满意50Ω的彻底婚配;异样,当馈入点处出现电感时,经过增大馈入点处的面积来增大库容。梯形线或者突变线是罕用的增大或者减小库容的形式,GCPW的信号馈入也能够相反形式优化。

微带线/GCPW信号馈入示企图

图5 微带线/GCPW信号馈入示企图

选取了Rogers的热固性资料为例,制造通路停止功能比照的试验,如图6所示。左图是没有停止优化事先的通路,其馈入点处阻抗远大于50Ω,出现较大的电理性而在于失配形态;这时通路的带宽窄,回波消耗正在6.8GHz处已到达-15dB;通路的拔出消耗值也从6.8GHz开端涌现较大的稳定。而右图是采纳突变线停止优化后的通路,其馈入点处的阻抗根本与50Ω相濒临。这时通路的带宽拓展至30GHz左近,并且其拔出消耗也根本维持稳固。因而准确解决通路馈入点电理性或者库容性的设想,能够使微带通路的功能失去了优化。

微带线信号馈入优化比照

图6 微带线信号馈入优化比照

4.2 GCPW的优化设想

GCPW的信号馈入的优化设想与微带线根本相反。但因为GCPW的构造与微带线构造没有同,GCPW两侧地立体过孔地位对于其功能也具有明显反应。选取Rogers的RO4350BTM资料设想没有同GCPW传输线,如图7所示。通路均采纳相反的信号馈入设想,没有同之处正在于接地过孔的地位与距离。从实践通路的测试看到,三个没有同通路馈入点阻抗测试根本分歧,存正在较好的馈入点设想。

没有同接地过孔地位的GCPW功能比拟

图7没有同接地过孔地位的GCPW功能比拟

4.3 带状线的信号馈入和优化

带状线的信号馈入设想与微带线和GCPW有所没有同。因路线没有正在通路的表层,因为并没有能运用表贴式而需求运用PIN针式联接器停止联接。如图8所示,信号的馈入需求经过PTH过孔来实现。其过孔的设想需求思忖过孔大小、孔内铜厚、焊盘大小,孔与接天空之间的距离、以及过孔长短等参数的带来的反应。实考证实,增多过孔的大小、铜厚、焊盘大小以及过孔长短均使过孔的库容性增多;而过孔与接天空之间距离增多将会减小过孔的库容性,增多电理性。带状线的信号馈入联接器经过PIN针联接过孔的内壁,能够看着是过孔超导体薄厚增多,招致了过孔的库容性变大。正在设想和加工中,能够经过背钻来移除全体过孔外部超导体孔壁或者增多接地距离的形式,到达减小库容性的手段。

带状线信号馈入示企图

图8 带状线信号馈入示企图

选取7.3mil RO4350B LoproTM资料与8mil RO4450FTM半固化片制造了50Ω带状线通路,并设想没有同的信号馈入过孔来评价没有同设想对于通路功能的反应。比拟两个测试通路,它们存正在相反的孔壁铜厚和孔与地接地距离,而通路2比通路1有更大的过孔直径和焊盘。为减小过孔的库容性,经过背钻,移除非通路2中必要过孔长短,使通路2比通路1能更好的与50Ω构成优良婚配,如图9所示。对于两个通路停止回波和拔出消耗的测试失去,通路2就存正在更宽带的回波消耗和稳固的拔出消耗值。内中,通路1的带宽仅有约12GHz,而通路2的带宽能到达22GHz。按此思绪,进一步对于信号馈入过孔完美,可进步通路的任务带宽而使用于更高频次的毫米波通路中。

没有同馈入信号过孔设想的带状线功能比拟

图9 没有同馈入信号过孔设想的带状线功能比拟

5. 小结

综上所述,为使使用于高频毫米波频段PCB立体传输线技能到达最优的通路功能,需求思忖PCB甄拔和设想等多个反应要素。正在通路设想前的甄拔时,为掌握通路色散或者高次模的发生需求思忖较薄的PCB资料;为升高介质消耗,应选取较低的资料介质消耗;为升高超导体消耗,应运用较润滑的铜箔等资料从而失去较好的通路传输功能。较窄的超导体线宽大易增大加工难度、升高分歧性,而没有应选用高介电常数资料。正在通路设想进程中,正当取舍没有同的传输线技能,以及优良的信号馈入设想可升高信号能量丧失,减小信号反照,到达优良的馈入点婚配,从而进一步晋升传输线通路正在毫米波频段下的功能。