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毫米波雷达

毫米波雷达

PCB结构对毫米波雷达性能有何影响?
2021-09-08
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常见的复合印刷电路板(PCB)大多使用玻璃纤维作为介质层的填充物,但由于玻璃纤维的特殊编织结构,PCB板的局部介电常数(Dk)会发生变化。特别是在毫米波(mmWave)频率下,更薄的层压板的玻璃编织效果会更加明显,Dk的局部不均匀性会导致射频(RF)电路和天线的性能发生显着变化。使用100μm厚的玻璃编织聚四氟乙烯(PTFE)层压板研究其PCB结构对传输线性能的影响。根据不同玻璃编织结构的类型,实验发现PCB板的介电常数在0.01~0.22之间波动。 .为了研究不同玻璃编织结构对天线性能的影响,在罗杰斯的商用层压板RO4835和RO4830热固性层压板制作了串联馈电微带贴片阵列天线,实验结果表明: RO4830层压板按法线公差处理后与计算值更一致,变化更小,具有更好的反射系数(S11 <-10dB)和视轴增益性能。
自动驾驶汽车是当前的研究热点。它们可以帮助驾驶员和行人避免潜在的致命事故,并且需要高可靠性。因此,它们的组成电路必须具有高可靠性。毫米波(mmWave)雷达在环境检测中具有结构紧凑、灵敏度高等诸多优点,为自动驾驶中的目标检测提供了可靠、准确的解决方案。在 76 至 81 GHz 频率的商用毫米波雷达系统中,串联馈电微带贴片天线因其易于设计、结构紧凑、大批量、低成本制造而成为首选[1]。频率越高,波长越小。因此,与低频相比,工作在毫米波频率的传输线和天线的尺寸会更小。为了保证车载雷达的理想性能,需要研究PCB对传输线和微带贴片天线的影响。对于长期在室外环境中工作(受温度和湿度影响)的毫米波频率电路,在选择PCB电路层压板时,首先要考虑的是材料性能指标的一致性。但是,构成层压板的铜箔、玻璃纤维增强材料、陶瓷填料等材料对高频下各项指标的一致性影响较大。
大多数PCB层压板的介电层通常是通过在玻璃纤维布上涂覆聚合物树脂而形成的。在毫米波频率下,玻璃纤维布对材料性能的一致性有非常明显的影响,因为玻璃纤维束的宽度与传输线的宽度相当。此外,当使用较薄(例如100μm)的PCB电路层压板设计微带天线时,玻璃编织布会导致天线性能发生显着变化,降低加工良率。
PCB层压板通常由玻璃纤维布和聚合物树脂结合形成介电层,然后用铜箔覆盖两面制成。玻璃布的典型介电常数(Dk)比较高,约为6.1,而低损耗聚合物树脂的介电常数在2.1-3.0之间,所以在较小的区域内Dk有一定的差异。指节交束区“Knuckle-Bundle”上方的电路由于玻璃纤维含量较大而具有较高的Dk,而束开口区“Bundle-Open”上的电路由于树脂含量较大而具有较低的Dk。此外,玻璃织物的特性受玻璃织物的厚度、织物之间的距离、织物的压平方法、各轴的玻璃含量等多种因素影响。
在用于毫米波应用的薄层压板中,经常使用两种典型的薄玻璃布编织样式,即1080型和1078型,1080标准编织使用不平衡玻璃布。这种玻璃布的一个杆身的玻璃含量高于另一杆身的玻璃含量。与1080型机织物相比,1078型开孔玻璃纤维织物具有更均匀的玻璃纤维平面,因此整个织物上的Dk变化inate 较小。与使用多层玻璃布层压板相比,单层玻璃布层压板的Dk值变化更为显着。此外,带有陶瓷填料的层压材料可以减少玻璃布不同编织方法引起的Dk变化。
对传输线电路的影响
本测试实验使用带有 1 mm 端子连接器的微带传输线电路。连接器首先连接到 50 欧姆的接地共面波导 (GCPW),通过阻抗转换器将其转换为高阻抗微带传输线。微带传输线长度为2英寸,保证了实验电路可以测试玻璃编织结构的效果。该电路采用玻璃编织聚四氟乙烯 (PTFE) 薄层压板、压延铜和单层玻璃布进行处理。为了比较不同玻璃编织结构的效果,在三种不同的PCB层压板结构上分别制作了传输线电路: 1080型玻璃布PTFE聚四氟乙烯,1078型玻璃布PTFE聚四氟乙烯陶瓷填充非PTFE乙烯基层压板,类型1080玻璃布。仔细检查处理后的电路,筛选合适的传输线进行测试,并测量电路的幅度和相角特性。通过相位角(展开后的相位值)、群延迟(基于随频率变化的相位角)和传播延迟(基于相位角计算)三个参数来确定层压板的介电常数变化。
带 GCPW 信号馈送的微带传输线
与“转向节束区”和“束开区”对齐的传输线电路的原始群延迟、传播延迟和相位差。可以看出,Dk 值越高,电磁波的传播速度越慢,这与群延迟、传播延迟和相位差的增加相吻合。根据电路的群延迟、传播延迟和相位差,计算出的介电常数变化。 1078型开纤编织层压板具有均匀的玻璃布分布。因此,与1080型标准编织层压板(Dk值变化为0.22)相比,Dk值变化较小,仅为0.03。如前所述,陶瓷填充层压板的Dk变化更小,仅为0.02。
对天线性能的影响
串联馈电微带贴片天线阵列是毫米波汽车雷达中最典型的天线。为了研究玻璃纤维效应对天线性能的影响,设计了一种1×4串馈微带贴片天线,其工作频率范围为76-81Ghz[3]。天线由两种不同的玻璃布层压材料RO4835和RO4830制成。天线由接地的相邻元件制成,以研究其耦合效应。
RO4835 层压板在 10GHz 下的介电常数为 3.48,损耗角正切为 0.0037(基于 IPC TM-650 2.5.5.5 标准测试)。此外,RO4830层压板的介电常数为3.24,损耗角正切为0.0033(基于IPCTM-650 2.5.5.5标准测试)。 RO4835层压板由1080标准编织不平衡玻璃布和陶瓷填料增强材料制成。相比之下,RO4830 层压板采用 1035 扁平开放式玻璃纤维编织物和填充较小颗粒的陶瓷进行增强。进一步比较了基于 RO4835 和 RO4830 的层压板的特性。
加工后,选择符合设计尺寸的天线,天线传输线与RO4835层压板的“转向节交叉区”和“波束开口区”对齐。由于RO4830层压板采用了平面玻璃纤维编织结构,因此无需考虑RO4830层压板中导体是否与玻璃织物对齐,分别测量处理后天线的反射系数(S11)和视轴增益。
天线对准 RO4835 层压板上的“转向节波束区”和“波束开口区”,以及 RO4830 层压板上的天线样品
为简单起见,本文给出的结果均取自多个被测天线的测试数据的平均值,并将测量结果与仿真结果进行比较。 RO4835 层压板上的天线(五个样品)的测试结果。 “转向节横梁区域”和“光束开口区域”的反射系数(S11)和视轴增益发生了显着变化。 RO4835 的天线性能取决于e 将电线与“转向节交叉区域”和“光束开口区域”对齐。此外,天线增益也随频率变化,说明介电常数也在变化。此外,高频方向的偏移表明介电常数较低。
RO4835层压板的“转向节横梁面积(KB)”和“波束开口面积(BO)”天线样品的测量结果和仿真结果对比
比较RO4830层压板天线的性能,测试的天线性能与RO4830层压板的模拟值非常一致,更加匹配。测量结果与模拟结果一致表明,层压板的介电常数变化最小。比较这两个结果,标准编织 RO4835 层压材料的视轴增益最大变化为 4 dB,而扁平开纤编织 RO4830 层压材料的最大变化仅为 2 dB。通过如此简单的实验,可以得出,采用罗杰斯RO4830层压板,采用扁平开放式玻璃纤维编织结构,可以获得更一致的反射系数和视轴增益等天线性能。
综上所述
PCB线路板
的结构会影响传输线和天线的性能。玻璃布的施工方法也会改变层压板上的介电常数,从而降低产品的性能,影响产品的良率。与RO4835层压板相比,RO4830层压板加工的天线在指标性能上具有更好的一致性。天线性能和加工良率的提高主要归功于层压材料的结构,即:扁平玻璃纤维编织、较少的玻璃含量(导体远离玻璃纤维)、更厚的基板等。天线性能的提高是还与材料的电气性能有关,例如 RO4830 层压板,其具有较低的介电常数和较低的损耗角正切值。因此,在较小波长毫米波频率雷达的应用中,罗杰斯RO4830层压板加工的天线的性能和一致性要优于RO4835层压板加工的天线。

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