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毫米波雷达

毫米波雷达

粘结材料怎样降低多层毫米波PCB的损耗
2021-11-02
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电路损耗随着频率的增加而增加。过去,这一特性限制了毫米波(mmWave)在印刷电路板(PCB)上的应用。然而,随着对毫米波范围内可用频谱的电路需求增加,为了满足这些需求,电路设计人员开始尝试使用新的低损耗电路材料,或由多层不同电路材料组成的混合电路。例如,用于高速、高频电路的极低损耗电路材料,以及更具成本效益的FR-4材料用于不需要低损耗特性的接地层、电源层和控制线等。

第五代 (5G) 新型射频 (NR) 蜂窝无线基站、短距离高速数据链路和汽车雷达系统等应用,也在推动对毫米波电路和其需求的低损耗电路材料的需要。幸运的是,有若干种低损耗电路材料可用于毫米波电路。此外,多层毫米波PCB的一个关键成份——粘结材料或半固化片——其性能具有可以将电路在毫米波频率范围内损耗降至最低。

半固化片实现了不同电路材料之间实现电绝缘,也是一种粘结材料,可以将多层PCB中的电路层固定在一起。在毫米波电路中,虽然有许多电气和机械特性可以用来表征它们,但其电气损耗是首要的关注点。通常PTFE 的半固化片显示出非常低的损耗,当与 PTFE 电路层压板结合使用时,它们可以在多层 PCB 中提供非常低的损耗性能。如果使用 PTFE 半固化片组装多层电路,则需要对 PCB制造商进行熔融粘合以将各层粘结在一起。然而,在多层PCB熔接PTFE半固化片技术方面有能力和经验的PCB加工商数量非常有限。因此,PTFE 半固化片具有优异的电气性能,但在大规模PCB加工过程中的加工可能具有挑战性。必须仔细在电气性能和使用 PTFE半固化片的实际制造工艺之间的权衡情况。

对于大量毫米波应用产品的PCB,这些权衡有助于指导选择最佳半固化片。 罗杰斯的 RO4450F™ 是一种众所周知且常用的半固化片。尽管它可能不是多层毫米波PCB的首选,但它对PCB工业制造工艺非常友好,并且兼容常规PCB制造工艺。在大批量的情况下,其损耗因子(Df)在 10GHz 时为 0.004,这对于许多射频和微波应用来说是一个很好的优势。对于高达24GHz或更高毫米波频率范围的信号(信号功率更有限),这种损耗在某些设计中是可以接受的。虽然RO4450F半固化片已用于损耗性能不太关键的毫米波电路应用,但如果电路应用需要更高的损耗性能,则需要具有更低损耗因子的半固化片。


相比之下,罗杰斯的 2929 型粘合剂材料(类似于半固化板)可以将多层PCB的不同层固定在一起。其损耗因数低于RO4450F半固化片,在10GHz时为0.003,这意味着更高频率下的电路损耗更小。当这种粘结材料与极低损耗的电路层压材料结合时,可以在毫米波频率范围内实现极低损耗的多层PCB电路。

由于在毫米波频段信号功率的设置,损耗因子值小于 0.003 的低损耗材料对于高分辨率雷达应用中的这些电路是必不可少的。 Rogers SpeedWave™300P半固化片具有极低的损耗特性,在 10GHz时损耗因子仅为 0.002,使其成为许多需要低损耗特性的新兴毫米波电路的候选材料的佼佼者。它可以提供不同厚度和玻璃布种类,包括开纤和开窗玻璃布,从而为多层电路设计人员提供更大的灵活性。玻璃布厚度和类型的选择对半固化片的损耗因子影响很小,取决于选择方案,损耗因数在 10 GHz 频率下从 0.0019 到 0.0022 不等。

同样的,对于所有厚度和玻璃布类型,在 10 GHz 频率下Z方向(厚度)介电常数在 10 GHz 频率下的范围为 3.0 到 3.3。为了尽量减少毫米波频段下玻璃纤维的影响,建议使用开纤玻璃纤维布的半固化片。因此,1035系列(厚度为0.0020或0.0025英寸)和1078系列(厚度为0.0030或0.0035英寸)的SpeedWave 300P半固化片是更好的选择。

为了更好地理解半固化片和电路层压板组合在高频损耗方面的特性、选取罗杰斯的 CLTE-MW™ 电路层压板和 SpeedWave300P半固化片制作带状线测试电路以进行性能评估。 CLTE-MW 是一种损耗非常低的玻璃布增强PTFE层压板,在 10 GHz 下的损耗因子为 0.0015。

使用高性能测试设备测试半固化片和层压板的电路特性,包括测试毫米波频率范围内的信号频率、相位和振幅等,得到在77 GHz的频率下电路的插入损耗为2.25 dB/in。 77 GHz的频率属于高级驾驶辅助系统 (ADAS) 毫米波雷达用于汽车安全应用的频率。在该频率下,对于带状线而言CLTE-MW 和 SpeedWave300P 组合的特性是十分极低损耗特性。这种传输线插入损耗与目前的 77 GHz 雷达应用相比具有一定的优势。虽然目前用于雷达应用的混合多层电路的高频部分主要使用微带传输线。

由于微带线电场部分与空气的作用导致损耗低。但是,作为多层混合印刷电路板的一部分,带状线于许多新型高分辨率77 GHz雷达中已经逐渐广泛应用。在这种情况下,半固化片的损耗因子对带状线混合电路在毫米波频段的整体损耗起着重要作用。

另一方面,在新型高精度雷达电路的更高频段中,传输线与其他电路结构之间的阻抗匹配对于保持低损耗和最小信号反射也至关重要。通过将预浸料的介电常数值与毫米波电路低损耗层压板的介电常数值相匹配,可以减少阻抗变化,获得更好的阻抗一致性。 SpeedWave 300P 在 10 GHz 下的典型 Z 介电常数为 3.16,而 CLTE-MW 层压板的典型 Z 介电常数为 2.94 至 3.02。因此,这种预浸料可以很好地与 CLTE-MW 层压板配合使用,以获得更多的性能。

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