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线路板材料参数如何影响毫米波雷达的性能?
2020-10-28
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   毫米波(mmWave)频率段能够为许多应用提供大带宽。为了充分利用带宽优势,当前主流射频电路的工作频率要比传统无线通信的工作频率高得多,并且频率范围大多集中在24至77GHz范围,甚至更高。典型应用领域从“5G蜂窝无线通信网络”到“高级驾驶辅助系统中的防撞雷达(ADAS)”。这些频率曾经一度是军方专用,那时毫米波电路的研发成本和研发难度均让民用领域望而止步。但随着材料、电路等领域关键技术的突破,成千上万的毫米波应用如雨后春笋般在77GHz汽车雷达系统中普及,这些雷达和自动驾驶技术使得道路出行更加安全。为保证毫米波雷达系统的最优工作状态,如何选择最适合的印刷电路板(PCB)材料就成为毫米波电路设计过程中最关键的一个步骤。

对于大多数射频电路工程师来说,工作于毫米波频率下的电路存在太多的不确定因素,首先面临的一个难题就是如何选择适合的PCB线路板材料。但是,如果能充分了解各种线路板材料的指标参数,并且知道这些参数会对毫米波电路产生哪些影响,那么就可以轻而易举地寻找出适合77GHz(或其它毫米波频率)的线路层压板。简而言之,材料性能的一致性比什么都重要。能够在各种温度、各种工作环境中不受时间影响,并且能长时间保持性能稳定的低损耗、高性能线路板材料,就是设计毫米波电路的最佳材料。

设计毫米波频率下的PCB传输线,无论是微带线、带状线还是接地共面波导(GCPW),其尺寸和特性都必须是十分精准的。信号的波长随着频率的增加而减小,因此频率越高,对传输线的精度要求也就越高。毫米波频率下传输线的性能,将受到线路板材料性能的限制,如果PCB线路板材料上各个区域的性能无法保证一致性,那么就会导致其加工出来的传输线出现信号损耗、相位偏移、传播延迟等诸多问题。对于那些对时序和信号相位十分敏感的雷达系统,延迟和相位失真会降低系统的最终性能。通过更详细地了解线路板材料的指标参数会对毫米波电路产生什么样的影响,就可以更加方便地选择适合各种不同类型毫米波电路(包括77GHz汽车雷达系统和第五代(5G)蜂窝无线通信系统)的PCB材料。 

在筛选满足电路设计要求的线路板材料时,工程师通常会先考虑自己比较熟悉的材料参数,如介电常数(Dk)和耗散因子(Df)等。其中,Dk是用于表征线路板材料电磁(EM)电荷存储能力的指标,而Df是用于表征线路板材料能量损耗的指标。相对于其表面的金属导体来说,PCB的电介质材料可以认为是绝缘体。并且电磁信号会沿着导体传播,同时部分信号会进入介质材料中,另一部分信号会向周围空间辐射。对于表面覆铜的线路板材料,较低的Dk值可以实现信号的较快传播,同时信号也具有最低的延迟和最小的相位变化,这些特性对毫米波电路来说是非常重要的。

Dk值通常用线路板材料的厚度方向或z轴方向的测量值来表征。其数值根据IPC等组织制定的,并且被行业公认认可的标准来确定,通常会在某一个确定的频率(例如10 GHz)下来描述它。随着频率或温度的变化,每种电路材料的Dk,ΔDk都会有一定程度的变化,这些变化都会对电路的性能产生影响。

Dk值通常与线路板介质层材料的成分(如PTFE)有关。但是,决定线路板性能的Dk值是一个复合值,它由介质材料中使用的填料(如玻璃纤维增强材料)、材料厚度、甚至铜导体的质量等多个因素共同确定。为了方便电路设计和计算机仿真建模,Dk的实际值要比其标称Dk值更重要,因为实际Dk值不但决定了线路板上电路的尺寸,还会影响这些电路的性能,它通常被称为“电路感知Dk值”或罗杰斯公司称之为“设计Dk值”。

电介质对Dk的影响

在设计适合于毫米波电路(例如77GHz汽车防撞雷达)的线路板材料时,Dk是众多需要考虑的参数之一,Dk的变化应最大可能地控制在接近其标称值的范围内。另外,能影响毫米波电路性能的其它材料参数还包括:Df、材料厚度、铜导体质量、吸湿性以及玻璃纤维增强引起的“玻璃编织”效应。再次需要强调的是,一致性是必不可少的,尤其是在毫米波频率下,这些参数的剧烈变化也会影响毫米波频率下的电路性能。

这些不同的电路参数都会影响线路板材料的“设计Dk”值。为了确保对Dk的描述清晰且无歧义,这里的“有效Dk”是指信号在传播过程中产生的总Dk值。对于微带线来说“有效Dk”是指介质中的Dk以及介质周围空气中的Dk共同作用下的复合值。“设计Dk”是在“有效Dk”基础上只考虑材料本身的Dk值,即消除了周围的空气对Dk的影响之后得到的值。

使用罗杰斯公司厚度为5mil,表面铜箔为电解(ED)铜的RO3003?线路板材料加工而成的微带线,在77GHz频率下测试得到其“有效Dk”(包括空气影响)值为2.54,其“设计Dk”值为3.16。对比几个不同的Dk值,可以看到,原材料在厚度方向或z轴方向上的Dk值为3.00,这个值是在没有电路因素影响的情况下,直接对原材料采用标准化测试得到的值。“原材料Dk”代表了材料的特性,是介质材料的固有Dk。然而,“有效Dk”和“设计Dk”是用于表征电路性质的Dk。

例如,材料的“设计Dk”(以电路形式测试得到的材料Dk)会随材料厚度的变化而变化。“设计Dk”随材料厚度变化的同时,通常还会受工作频率的影响,Dk随频率增加会降低。因此,对于电路设计工程师来说,在利用计算机仿真软件设计毫米波传输线时,Dk的这些变化会带来一定的阻抗误差。

如果微带电路采用了比较薄的线路层压板,那么顶层的信号导体面和底层的接地面之间的距离必然会很小。相对于介质原材料的Dk,线路层压板越薄,用其加工出来的电路就越容易受到导体层的影响,在这种情况下,“有效Dk”和“设计Dk”值受导体层的影响更大。对于较薄基板上的传输线“设计Dk”值增加,其电容增加,同时阻抗会降低;反之,对于较厚的基板上的传输线“设计Dk”值减小,电容减小同时阻抗会增加。另外,使用较宽的传输线也可以间接达到增加电容的目的,但这会增加PCB上导体的面积。

对于许多高频应用,包括77GHz雷达,传输线的阻抗在各个位置均要保持一致,这样才能尽可能地减少信号反射。如果传输线偏离了50Ω特征阻抗,就会导致信号出现反射、损耗和相移。对于给定的Dk变化范围,这些偏移在毫米波频率下对相位产生的影响要比低频频率大得多,并且会成为毫米波频率下雷达性能下降的主要原因。

毫米波电路通常会使用比较薄的PCB材料,而且大多数情况下是同时包含模拟电路、数字电路和电源的多层电路。对于相同型号的材料,随着厚度增加“有效Dk”和“设计Dk”的值将会减小。以罗杰斯公司的RO4350B?线路板材料为例,频率为8-40GHz时,在6.6mil厚度下,材料厚度方向或z轴方向的Dk平均值为3.96;但在30mil厚度下,“设计Dk”值降为3.68(如图1所示)。可以看到,随着厚度的增加“设计Dk”会减小;当材料厚度达到60mil时,“设计Dk”值会降低至3.66。当然,“设计Dk”也不会因为厚度持续增加而无限降低,当厚度增加到一定程度时Dk值会趋于稳定,这时候的“有效Dk”和“设计Dk”主要由线路板中的介质材料来决定,表面导体对Dk的影响随着材料厚度的增加可以忽略不计。

不同厚度和铜导体粗糙度对介电常数的影响

图1、不同厚度和铜导体粗糙度对介电常数的影响

为了进一步说明材料厚度对电路设计的影响,采用另一种线路板材料进行同样的实验。选择罗杰斯公司的RO3003线路板材料,分别采用5mil,10mil和20mil三个不同的厚度,材料具有相同类型表面铜箔(?盎司的ED铜),基于50Ω微带传输线的差分相位法,进行“设计Dk”值的测试。在50GHz频率范围内,测试结果表明,“设计Dk”会随线路板厚度变化而变化(具体如图2所示)。

以RO3003层压板为例,材料厚度对设计Dk值的影响

图2、以RO3003层压板为例,材料厚度对设计Dk值的影响

铜箔对Dk的影响

线路板材料的所有组成元素都会影响“设计Dk”,所以要全面考虑所有构成线路板元素的指标参数。例如:铜导体的质量可能会影响电路在毫米波频率下的性能。高质量的铜导体可以为传输线提供高导电性和高一致性的阻抗,这些特性是保障信号在毫米波频率下维持相位稳定的关键因素,例如应用在77GHz汽车雷达中。

线路板材料的铜箔表面粗糙度会在一定程度上影响毫米波电路的性能。通过表面粗糙铜箔加工出来的传输线,其表面电磁波的传播速度要慢于采用同类型铜箔但表面更光滑的传输线。这里所谓的铜表面粗糙度是指:在基板与铜箔接触的这个平面上铜的粗糙度。较慢的电磁波传播速度等效于线路板材料具有较高的Dk。

为了进一步说明铜箔表面粗糙度的差异是如何影响毫米波电路性能的,将4mil厚的液晶聚合物(LCP)作为电介质,与不同的铜导体组合在一起。铜导体由不同类型的ED铜组成,每种ED铜具有不同的表面粗糙度。表面粗糙度采用均方根(RMS)值来衡量,组合的铜导体RMS值分别为0.5、0.7、1.5和3.0μm。

为了评估不同铜导体对材料Dk的影响,在上述四种不同粗糙度的LCP基板上加工出50Ω微带传输线,使用微波/毫米波矢量网络分析仪(VNA),在8到50GHz频段内进行测试。结果表明“有效Dk”值会根据铜导体的类型而变化,但各自在整个频率范围内几乎保持恒定(如图3所示)。

线路板材料的有效Dk随着铜导体类型及表面粗糙度而变化

图3、线路板材料的有效Dk随着铜导体类型及表面粗糙度而变化

正如测量结果所示,使用不同类型铜导体的相同PCB材料会产生不同的“有效Dk”值。在采用完全相同的介质材料情况下,使用粗糙铜箔表面材料的电路比光滑铜箔表面电路具有更高的“有效Dk”值。而且可以看到,具有更高有效Dk电路的“慢波效益”在更高频率下影响会更大一些。

另外,铜箔表面粗糙度也会影响导体损耗,特别是在毫米波频率下,粗糙的铜导体表面会导致更高的导体损耗。为了验证这个结论,用同样5mil厚的RO3003层压板,分别采用ED铜和压延铜进行测试,其中ED铜的RMS表面粗糙度为2.0μm,而压延铜的RMS表面粗糙度为0.35μm。

实验测量了50Ω微带传输线从直流到110GHz的插入损耗,用于比较不同铜导体的损耗特性。铜表面粗糙度(增加)对导体损耗、插入损耗的影响是显而易见的(如图4所示)。线路板材料的厚度也会对铜表面粗糙造成的损耗产生影响,材料越薄受铜箔粗糙的影响就越大。

不同的铜导体类型会影响电路的损耗性能

图4、不同的铜导体类型会影响电路的损耗性能

如何保持Dk稳定

工作于77GHz的车载雷达能够检测到反射信号相位的微小差异,线路板材料“设计Dk”的任何变化都会影响到相位状态,从而降低系统的探测精度。理想情况是希望线路板材料的Dk值在任何条件下都不要发生变化。但实际情况是材料的“设计Dk”会随频率、温度、厚度等多种因素的影响而发生改变。只有将本征电路材料Dk值的最大公差控制在±0.05的范围内,才能保证相位的波动不会对系统的高精度和高可靠性产生影响。

为了监测线路板材料Dk随温度变化的情况,定义介电常数温度系数(TCDk)为:一定温度范围内、温度每升高1℃时介电常数的相对平均变化率。这个参数对工作在温度差较大的应用(例如77 GHz雷达)来说非常重要。任何应用于毫米波电路的线路板材料,都应该具有较低的TCDk值,这样才能最大程度地减小因Dk变化给电路性能(如相移)带来的影响。

一些基于PTFE树脂体系的线路板材料,在室温(25°C左右)环境中,其Dk值会因温度变化而发生陡变。对于大多数应用来说,TCDk能控制在0±25ppm/°C的范围内就认为是比较适合的。以RO3003线路板材料来举例,当温度从-50变化到150°C时,其10GHz频率下z轴方向的TCDk仅为-3ppm /°C。TCDk越小也就意味着Dk随温度的变化也越小(如图5所示),这对于毫米波频率应用,以及那些需要在较大温度范围内保持性能稳定的电路来说至关重要。

线路板材料随温度变化会导致设计Dk和相角的变化

图5、线路板材料随温度变化会导致设计Dk和相角的变化

在毫米波频率下,线路板材料的其它材料参数,如:介质损耗(Df)、吸湿率、玻璃编织效应等任意一个参数都会影响材料的“设计Dk”值。与Dk一样,材料的Df也会受温度的影响,将其定义为:损耗因子热稳定系数(TCDf),顾名思义它也会随着温度的变化对电路设计产生影响。而吸湿率是指线路板材料吸收外界水份的总重量,它以百分比为单位来衡量。在较高的频率下该值越小越好,其典型值在0.1%至0.2%之间。罗杰斯RO3003层压板的吸湿率为0.04%。

由于毫米波频率的波长很小,对于某些采用玻璃纤维加强的特殊PCB板材,其产生的“玻璃编织效应”也会对电路性能造成影响,这些影响与玻璃纤维在线路板介质中的分布方式有关。玻璃纤维布有两种常见的编织方式,一种是“交织开放式编织”,这种编织方式玻璃纤维束之间会存在一些缝隙;另一种是“均匀开纤式编织”,玻璃纤维束扁平且中间没有空隙。玻璃纤维被填充到整个材料中,其填充方式也有两种,一种是“均匀填充”,这种情况x轴和y轴上的玻璃纤维密度是相同的;另一种是“非均匀填充”,玻璃纤维在这两个轴上具有不同的密度。对于采用”交织形式编织”的玻璃纤维布,在没有玻璃纤维的缝隙区域其Dk值较低,两束玻璃纤维交叉形成的叠加区域其Dk值最高。当信号波长小到与这些缝隙的尺寸相当时,信号就会产生失真。

对于77GHz的雷达,如果选用具有较强“玻璃编织效应”的PCB材料,有可能会受到群延迟、传播延迟和相位角变化的影响。为保证相位稳定,应该为77GHz的电路选择采用“均匀开纤玻璃编织”作为填料的线路板材料,并且线路板材料的Dk变化要尽可能小。如果采用“交织开放玻璃编织”作为填料的线路板材料,在77GHz频率下,Dk值大概会有0.09的变化,这会带来大约100度的相角差。相角发生较大的变化,也就意味着这些材料的电路的群延迟和传播延迟会产生较大的差异。理想情况下,采用不含玻璃纤维的材料,如RO3003或RO3003G2层压板,就可以避免受到“玻璃纤维效应”的影响。

另外,选择不同的传输线技术也可能会对毫米波电路(例如77GHz汽车雷达)的性能产生影响。毫米波电路通常是多层混压PCB的一部分,这些多层混压还可能包含了数字电路、电源电路、甚至光电电路。毫米波电路通常使用微带线或GCPW传输线技术,在PCB加工过程中,GCPW传输线更容易受到镀铜厚度、导体蚀刻精度、最终镀层表面处理等因素影响(如图6所示)。虽然微带线或者GCPW都可以用建模仿真来预期电路性能,但是在77GHz频率下,GCPW的加工难度和受加工影响更大。

传输线技术的选择及其加工工艺对毫米波频率下电路的性能影响

图6、传输线技术的选择及其加工工艺对毫米波频率下电路的性能影响

为了评估不同线路板材料和铜导体类型对电路的影响,无论是使用全波电磁场仿真软件来仿真,还是直接加工出实物进行测试,都会耗费很多的时间和精力。一个更简单的方法是借助基于微软Windows平台开发的免费软件程序“MWI-2019”来进行分析。该软件可以从罗杰斯官方网站上免费下载。该软件(请参考“More on MWI-2019”)允许用户使用其内置的数据库,来验证材料厚度、铜导体表面粗糙度以及其它参数对“设计Dk”的影响。同时该数据库也包含了许多其它不同材料的“设计Dk”值。虽然该软件提供的结果精度略低,但它的计算时间却比全波电磁仿真软件快得多,几乎可以立即得到毫米波电路设计中使用不同材料和材料参数的初始值。