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毫米波雷达

毫米波雷达

怎样为毫米波与高多层线路板选合适的板材呢?
2021-11-02
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近年来随着第五代新型(5G NR)无线网络和77 GHz汽车雷达的普及,毫米波雷达应用也逐渐变得越来越普遍,毫米波频率信号完全可以通过高集成的印刷电路板(PCB)来进行传输。这种类型的PCB通常会采用多层结构,并且可以同时处理不同类型的信号,包括模拟、数字、RF和毫米波信号。毫米波电路设计工程师面临的主要问题是“集成化”和“小型化”, 他们试图将尽可能多的功能设计到最小的PCB中。但是不同的电路功能对线路板材料的要求不尽相同,例如在毫米波频率下,能提供最佳性能的线路板材料可能不是电源电路最实用的解决方案。


通常,对于具有多种电路功能的多层PCB,最实用的解决方案是通过由三种或更多种不同电路板材料组成的多层PCB来实现电路的所有功能。在选择电路板材料时,需要充分考虑它们的特性,尽可能选择最好的电路板材料,以更好地匹配每个电路需要实现的功能,如:功率电路、高速数字、低频射频、微波和高频毫米波电路等。在选择电路板材料时,首先考虑的通常是材料的如介电常数(Dk)和损耗因数(Df)或损耗角正切。其次,还需要根据电路的功能和层数,充分考虑电路板材料的机械特性。因为电路板材料的厚度等机械性能会影响传输线的尺寸和传输线之间的间距,从而影响高速数字、高频微波和毫米波电路的性能。第三,在设计和生产多层电路时,还必须考虑如何将这些不同的层压板组合互连。无论选择哪种材料,包括电路板材料和粘接材料,都需要考虑如何更容易、更方便地将这些材料加工并组合成一个整体。


微波电路工程师首先要了解线路板材料的特性对不同电路的性能会产生什么样的影响,才能更合理的将微带线、带状线和接地共面波导(GCPW)传输线等高频传输线与FR-4等低成本线路板材料相结合,组成多层板电路。但是,随着频率的增加,线路板材料的电气参数随频率的变化也需要考虑。如Dk和Df随着频率的增加,将对传输线的性能产生巨大的影响,如影响雷达脉冲的同步或调制通信信号的完整性等。

线路板材料的机械特性,例如厚度和厚度的一致性,在射频微波频率下可能并没有那么重要。但是,随着信号频率攀升至毫米波范围,这些机械特性都会对电路性能产生影响。因此,在选择毫米波频率的线路板材料时,必须充分考虑这些因素的影响。在这么小的波长下,线路板材料表面导体的粗糙度也会影响电路性能,并导致相位响应和插入损耗的差异。

同样,对于高速数字电路,在设计传输线时需要充分考虑选择合适的电路板材料,以满足传输线的良好匹配(通常为50Ω或100Ω差分)、阻抗一致性和传播特性,避免不必要的信号延迟和信号失真。而且,必须在所有节点(包括PCB层之间)保持阻抗一致性,这就要求微通孔的加工和生产过程具有高度的一致性。某些电路板材料的成分,尤其是在毫米波频率下,可能更适合现代微加工技术(如激光钻孔)来形成传输线互连所需的微孔。对于高速数字电路和毫米波电路,需要保证微通孔之间的最短距离,同时实现多层PCB各层之间的精确对准,可以实现最低的损耗和最高的可靠性,即使在不同的电路中 互连电路板材料时也是如此。为了实现和保持良好的层间对准和层间高可靠性的微孔,需要具有优异机械稳定性的电路板材料。


解决方案选择

一般来说,自动驾驶汽车中的雷达系统和5G无线通信网络的毫米波电路的多功能多层印制电路板,都可以根据某些已经大规模商业应用的标准来进行设计和制造。现在的主流设计方案是采用更多层和更薄的电路,以适应小尺寸和轻重量的要求。实际这种需求在军用毫米波电路中较为常见,需要满足尺寸(Size)、重量(Weight)和功率(Power)的要求(统称为SWaP)。对于商用毫米波电路,其它需要考虑的设计指标还包括:更高的密度、在更小的电路上实现更多的功能、良好的温度稳定性、低吸湿性以及在苛刻工作环境中保持正常运行。因此,用于高速数字电路和毫米波电路的线路板材料通常在宽温度范围内需满足低Dk、低Df和稳定的Dk、稳定的Df。

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