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适合使用于77GHz交通工具雷达的线路板料料的关键性能
2020-10-16
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半导体技术的进步提高增进了毫米波技术的进展,在经济型的交通工具上运用77 GHz雷达系统将要变成事实。未来这些个雷达安全系统作为量产的商用毫米波设施和组件,必然性地变成“半自动操纵”交通工具的组成局部。当然,不可以不说的是,印刷电路板的高频线路板料料在77 GHz交通工具雷达应用中的关紧性。在高频频带,尽管很多新的线路板料料被研究制造出来,但他们并非都适应这种高频率运用。在毫米波频率下,哪一些线路板料料特别的性质最为关键呢?对这些个特别的性质的了解有助于简化毫米波应用,尤其是对于77 GHz交通工具雷达系统线路板料料的挑选。

高频率具备不可以比拟的经济活动价值,由于有更宽的可用带宽。随开始机、WLAN和其他经济活动应用数量多应用较低的频带, 60, 77甚至于94 GHz的毫米波频带能够满意如第五代(5G)蜂窝系统和交通工具雷达等最近兴起应用的越来越大的带宽需要。理解毫米波频率下基本材料属性,不止适合使用于77 GHz的线路板料料应用,还适合使用于越来越多28 GHz以上的高频应用。

关键特别的性质

77 GHz雷达(和其他毫米波)电路板预设的六个关键线路板料料特别的性质涵盖介电常数(Dk)或相对介电常数(εr)、伤耗因数(Df)或伤耗角正切,或tanδ、铜外表光洁度、Dk的热牢稳系数(TCDk)、吸水性和玻璃纤维效应。 在毫米波频率下,高频线路板料料很少能在全部六种特别的性质中表达特别好。 这个之外,思索问题到毫米波频率的小波长下需求的精密细致电路尺寸,PCB材料的加工特别的性质也是挑选这种电路材料的关紧思索问题因素。很难找到一种在全部六种特别的性质中都能供给高品质的线路板料料,并且这种材料还具备可重复性和靠得住的电路制作有经验。

对77 GHz交通工具雷达和其他毫米波电路应用的线路板料料Dk的思索问题其实有两个方面:原始基板媒介本身的Dk,以及与电路有关的预设Dk。 对于原始基板媒介Dk,可以依据其公差和分散色光来思索问题。Dk公差是由制作层压板过程中的一点变量表决的一种材料参变量,在某些应用中有可能需求比较小的公差。依据高频率毫米波电路的经验,一般±0.050的Dk容差是可接纳。Dk分散色光是材料的天然属性,是指Dk随频率的变动特别的性质。对于宽带应用而言,这一般更为关紧,由于材料务必办公在很宽的不一样频率下,例如77 GHz频带。

预设Dk是由材料电路方式确认的Dk“办公值”的一种方式。 预设Dk1-3受很多变量的影响,因为这个很难评估参变量的变动。家喻户晓,通电流通过路介质的电磁(EM)波广泛散布效率会因材料Dk的增加而减慢。一样的,线路板料料的铜光洁度会影响电磁波的相速,影响线路板料料在77 GHz和其他毫米波频率下的性能(见图1)2。

管用Dk与频率的关系,基于仅有铜箔外表光洁度不一样的50Ω微带传道输送线电路测试

图1.管用Dk与频率的关系,基于仅有铜箔外表光洁度不一样的50Ω微带传道输送线电路测试。

如图1所示,基于相同的4mil的LCP基板料料加工制造了四种不一样的层压板和电路。这款LCP是一种各向同性的基板,在较宽的微波和毫米波频率范围内都性能特别好。这四种层压板的媒介绝对相同,但运用了不一样的铜箔类型,具备不一样铜箔外表光洁度。不一样的外表光洁度指的是媒介与铜箔衔接接的界面处的铜箔外表光洁度,是在在覆铜层压板形成前勘测获得的外表光洁度。将不一样光洁度的层压板送到PCB制作制造50Ω微带传道输送线施行测试。每组实验测试的电路都是只有长度不一样、其它都均相同的两个电路。运用微带差分相位长度法,经过每个电路的长度不一样,就可以得管用的Dk与频率的关系。如图1所示,铜箔外表最平而光滑的电路具备最低的管用Dk。而不细腻铜箔的电路显露出管用Dk增加的发展方向。在仅只只有铜箔外表光洁度不一样的事情状况下,电路中管用Dk的差别约为0.3。

对于预设Dk,运用较薄的比运用较厚材料的电路更容易遭受铜箔光洁度的影响。例如,假如运用较厚的基板施行大致相似图1测试,则不一样铜外表光洁度的管用Dk值的差别将小得多。正如图中四个管用Dk细微曲率所表明的那样子,其随频率有一点变动。这种变动与微带传道输送线的分散色光特别的性质相关,同时也是材料分散色光的最后结果。 当从管用Dk数值中提出取得Dk时,Dk与频率的关系曲线(预设Dk曲线)通例会有一个小的负斜率,如图2a和2b所示。

电路上运用的标准电解(ED)铜,其外表光洁度会显露出来正常的上下变动

电路上运用的标准电解(ED)铜,其外表光洁度会显露出来正常的上下变动

图2. 多个5mil厚的RO3003线路板材料的微带线预设Dk,电解铜(a)和压延铜(b)。

图2a和2b中所示的Dk与频率的关系曲线显露了正常的变动发展方向,随着频率的增加呈微小的负斜率。纵然在Dk反推计算过程中除开微带线分散色光的影响,材料分散色光也将造成Dk随频率些微减低。 预设Dk值的范围(~3.1)有可能看起来非常大,但其实并半大,由于很多变量都会影响预设Dk。对于材料,媒介材料Dk的变动范围仅为±0.040或0.080。电路加工也会使其发生一点变动,例如导体宽度和梯型效应的变动。梯型效应指的是信号导体的式样,理想事情状况下是长方形横剖面,但实际电路多为的是梯型式样。导体式样的变动会造成电流疏密程度和边缘场的变动,况且在较高的毫米波频率下,这些个效应会影响性能。图2中所示曲线的变动也与基板厚度的公差、最后铜镀层厚度的以及铜箔外表光洁度的变动相关。

如图2a中所示的电路上运用的标准电解(ED)铜,其外表光洁度会显露出来正常的上下变动; 这些个电路所运用的ED铜的外表光洁度典型值为2.0μm RMS,但实际的光洁度可以在1.8至2.2μm之间变动。对于在这个光洁度变动范围,稍光溜的电路,预设Dk的值较低,稍不细腻的电路,预设Dk的值会较高。对于图2a中的预设Dk范围(77 GHz下的0.126),思索问题到影响它的很多变量,这是一个令人满意扼制的预设Dk容差(±0.063)。

与图2a相形,图2b运用更光溜的压延铜的相同媒介电路材料, 预设Dk的变动就要小的多。尽管在ED铜和压延铜的电路加工上也存在一点微小的差别,但这表明光溜的压延铜可以减小预设Dk变动。

铜箔外表光洁度及其变动也会影响高频微带电路的插进去伤耗。较不细腻的铜箔外表会造成较高的导体伤耗并最后造成更高的插进去伤耗。插进去伤耗还决定于于电路基板厚度,那里面较薄的电路比较厚的电路更容易受铜箔外表光洁度的影响。例如,对于在相同媒介材料上制作的电路,比较具备不一样铜箔外表光洁度和不一样厚度的电路,运用光溜和不细腻铜箔的薄电路之间的插进去伤耗差别比运用相同铜箔的厚电路之间的插进去伤耗差别更显着。在运用5mil厚度RO3003材料的电路的事情状况下,运用光溜压延铜和运用不细腻ED铜的电路在25GHz下的插进去伤耗差为0.35dB / in。对于大致相似的比较,运用20mil 厚度的RO3003层压板,不细腻的ED铜和光溜的压延铜的电路插进去伤耗差为0.10 dB / in。这表明较薄的电路比厚的电路受铜箔外表光洁度差别的影响更大,而大部分数毫米波电路是需求挑选相对薄的电路材料的。

为了显露铜箔外表光洁度的影响,图3给出了具备相同(5mil)媒介厚度但铜箔外表光洁度不一样的两种大致相似线路板料料上的微带电路。这些个都是到现在为止在77 GHz应用中广泛运用的材料,罗杰斯企业的RO3003材料已有较长时期且出货量大。RO3003G2?材料是最新宣布的一款材料,它是基于RO3003材料,专门针对77 GHz交通工具雷达应用施行了优化的电路材料。由于这两种材料具备相仿的Dk和Df值,插进去伤耗中显露的差别主要是因为铜箔外表光洁度带来的。运用标准ED铜的RO3003材料的铜箔外表光洁度典型值为2.0μm RMS,而运用的压延铜的典型值是0.35μm RMS。RO3003G2材料认为合适而使用超低光洁度的(VLP)ED铜,外表光洁度的典型值仅为0.7μm RMS。

77GHz电路微带

图3. 基于5mil厚度具备相仿Dk值材料、不一样外表光洁度的77GHz电路微带插进去伤耗曲线 

T与RO3003层压板的ED铜箔相形,RO3003G2的VLP ED铜箔显著改善了电路的插进去伤耗。尽管仍还不如压延铜的插进去伤耗性能,但成本相形压延铜具备非常大的优势。VLP ED铜箔比ED铜箔的材料成本约高一点儿,但与更极其昂贵的压延铜相形却节约了数量多成本,且插进去伤耗性能表面化增长。越光溜的铜箔,如大致相似VLP ED铜箔,电路具备更加完全一样的相位响应。另一方面,对于77 GHz交通工具雷达电路运用的微通孔,更平而光滑的VLP ED铜有帮助于激光钻孔加工微通孔。额外,RO3003G2运用小的圆球形填料颗粒也有帮助于激光钻孔。经过于激烈光钻孔和较小的填料颗粒,使加工的毫米波频率(例如77GHz)下的电路性能变得更加容易且性能成功实现更高的可重复。

因为交通工具雷达传感器的办公温度范围广,TCDk是一个非常关紧的线路板料料参变量和特别的性质,是权衡材料的Dk随温度变动的程度。对于很多应用, TCDk值应小于 50 PPM /℃即可以接纳。该值是一个完全值,是由于TCDk可以是正数或负数,趋近于零表达Dk随温度变动最小的。如图4a和4b所示,Dk可以随频率和温度变动有可能非常大,有可能较小。该图比较了两个5mil的RO3003G2和一种PTPE 层压板Dk随温度的变动事情状况。

77 GHz的交通工具雷达应用的优势材料(a)和一种PTPE基板料料(b)微带传道输送线测试事情状况

77 GHz的交通工具雷达应用的优势材料(a)和一种PTPE基板料料(b)微带传道输送线测试事情状况

图4. 电路在不一样温度下,对77 GHz的交通工具雷达应用的优势材料(a)和一种PTPE基板料料(b)微带传道输送线测试事情状况

77 GHz交通工具雷达传感器在安装于交通工具内里,交通工具的行走背景造就雷达传感器的办公背景确实是卑劣的,还涵盖潮润背景吸水性的影响。线路板料料吸水性参变量就是指线路板料料在给定背景中可借鉴的养分若干。养分子是有极性的,会增加PCB插进去伤耗,也会造成线路板料料的Dk的增加。因为相位完全一样性对于77 GHz交通工具雷达应用至关关紧,因为这个线路板料料吸水性对相位完全一样性的不论什么影响都值当关心注视。相位一般随着电路吸水性的增加而增加。为了评估这些个效果,对RO3003G2线路板料料和基于PPE的高频材料施行了相比较测试。先测试在室温条件(+ 23°C和30百分之百 RH)下比较电路的相位差,而后安放在+ 85°C/85%RH背景下72钟头后再次测试。如图5所示,不一样材料吸水性不一样会萌生不一样的性能差别。挑选低吸水性材料可以减小对相位带来的影响,对77 GHz交通工具雷达系统的性能萌生重大影响。

比较在室温(RT)和72钟头双85(+ 85℃,85%RH)条件下电路的微带线电路展开相位差。

图5. 比较在室温(RT)和72钟头双85(+ 85℃,85%RH)条件下电路的微带线电路展开相位差。

玻璃纤维影响

很多高频线路板料料强度倚赖于玻璃纤维加强层; 不幸运的是,玻璃纤维效应会影响电路性能,尤其是在77 GHz和毫米波频率下。用于增强线路板料料的玻璃纤维编制图案也会引动整个儿线路板料料中小地区范围内Dk的差别。幸运的是,罗杰斯企业的一点高频线路板材料,尤其是RO3003RO3003G2层压板,没有运用玻璃纤维加强,也就不会存在玻璃效应。

线路板料料中的玻璃纤维效应可以从纤维编制层的图(a)看出,图(b)显露了因为玻璃纤维效应的两个电路具备不一样的Dk值,(c)玻璃纤维效应怎么样造成电路导体具备周期性变动的Dk

图6. 线路板料料中的玻璃纤维效应可以从纤维编制层的图(a)看出,图(b)显露了因为玻璃纤维效应的两个电路具备不一样的Dk值,(c)玻璃纤维效应怎么样造成电路导体具备周期性变动的Dk

图6a,6b和6c供给了玻璃纤维编制的不一样视图。图6a中运用1080型玻璃布,在玻璃纤维束和玻璃束交错点,以及没有玻璃纤维的张嘴地区范围会造成线路板不一样地区范围具备不一样的Dk值。玻璃纤维的Dk一般约为6,而天然树脂系统的Dk要小得多(一般约2.1至2.5),因此获得总的Dk约为3的用于交通工具77GHz雷达传感器应用层压板。普通来说,有可能玻璃束地区范围和没有玻璃的地区范围之间的差别不完全可以在77 GHz时引动较大的问题。不过某些玻璃布类型的尺寸有可能正巧与毫米波频率的波长成一定比例,因此有可能造成77GHz下产习惯能的影响。

T1080玻璃中的张嘴约为10mil(0.25mm),对于Dk约为3的层压板的微带线电路,在77GHz下波长约为97mil(2.46mm)。与波长成一定比例就可以引动共振和干扰信号广泛散布; 一般,假如电路中介具备体积为1/8波长或更小尺寸,则不会引动信号波的广泛散布问题。这品类型电路的1/8波长约为12mil(0.31毫米),与张嘴体积十分靠近,完全可以引动关心注视。

当只比较小量电路时,有可能看不到玻璃纤维效应带来的影响。而后,随着电路数目的增加,电路性能的比较差别有可能便会越来越表面化。一样随着频率的增加,几率也会增加。这在如77 GHz交通工具雷达传感器应用的毫米波频率中是很常见的。玻璃纤维效应的主要问题如图6b所示,那里面电路与玻璃纤维编制刚好对齐,要得一个电路与另一个电路具备具备迥然不一样的Dk值,尽管运用了相同线路板料料和电路预设。图6c中的玻璃纤维与电路的形式萌生的周期性Dk也是一个问题。在该电路中,因为电路预设和玻璃纤维之间的有一定角度,电路形成了高Dk和低Dk的台阶阻抗结构。假如对数量多电路施行评估,这种略成角度的相对位置比大部分数工程师所如果的绝对完全一样排列更为常见,由于玻璃纤维编制并不老是完美的网格。玻璃纤维编制的大多地区范围有可能会偏斜,纵然电路图形是严明的网格,但玻璃纤维编制在电路某些地区范围有可能也并不是网格。

在2018岁暮罗杰斯对玻璃纤维效应施行了研讨4,并于2018年十月举行了一个网络研究会(可在微波杂志网站上取得)。思索问题了很多电路配备布置,但研讨重点放在一项针对玻璃纤维相交的点-束和束-张嘴的标准样式(如图6b)中,由于它是77 GHz交通工具雷达中的PCB显露出来的大致相似报告陈述问题。本研讨认为合适而使用纯聚四氟乙烯(PTFE)和压延铜为基板的薄层压板(4mil或0.102mm)材料。剖析了四种不一样的层压板,他们之间的主要差别在于不一样的玻璃纤维加强层。认为合适而使用压延铜有助于减损铜箔外表光洁度带来的对本实验的影响。运用没有填料的纯PTFE线路板料料可以闪现出最差的事情状况,由于补充颗粒可以减小有无玻璃纤维的地区范围之间的Dk差别。

为此研讨测试了数百个电路,查缉并寻觅理想的玻璃纤维与导体的正确相对位置,以评估因为部分位置(如图6b)而具备高Dk和低Dk的电路之间的差别。 图7供给了77 GHz频率下玻璃纤维效对付相位响应的影响的测试汇总图。

曲线显露图6b所示的电路玻璃纤维位置引动的Dk不一样在相同预设和相同材料(4mil厚PTFE)的微带线电路的相位与频率的差别。

图7. 曲线显露图6b所示的电路玻璃纤维位置引动的Dk不一样在相同预设和相同材料(4mil厚PTFE)的微带线电路的相位与频率的差别。

图7显露了具备1080玻璃布的纯PTFE线路板材料上微带线电路的相位与频率的关系曲线。这是玻璃布是一种不公平衡的张嘴编制风格。另一种是常用于薄电路层压板是106玻璃布, 它是一种张嘴、均衡且尺寸小的玻璃布。玻璃布样式的均衡或不公平衡,决定于于玻璃两个经纬上进的玻璃纤维若干和疏密程度。 当玻璃纤维在经向的玻璃疏密程度与纬向的玻璃疏密程度类同时,它是均衡的,与之相反,它是不公平衡的。 如图7所示,当运用106玻璃布的电路测试相位变动时,微带线在77 GHz的相位变动为64.7度/英寸。

本实验还认为合适而使用开纤玻璃布的线路板料料。顾名思义,它的玻璃束被绝对摊开像玻璃平板。玻璃交节还是存在,不过没有张嘴地区范围或张嘴地区范围十分小况且一般小于1mil(0.025mm)。 本实验中运用的开纤玻璃布是1078玻璃布。运用与图7中的相同预设的电路的测试,微带线在77GHz处的相位变动为13.4度/英寸。

很表面化,玻璃纤维效应会对线路板料料的电性能萌生影响,尤其是对于77 GHz交通工具雷达和其它毫米波应用。 当在较高频率下需求严明关心注视性能时,可运用没有玻璃布的线路板材料-罗杰斯企业的RO3003和RO3003G2层压板等线路板料料。这两种材料没有编制布加强,因为这个不会因玻璃纤维效应而对高频电路板而产习惯能影响。但材料的强度性能还是美好,绝对保证77 GHz交通工具雷达以及其它微波电路板毫米波电路板性能可预先推测性和应用的靠得住性。