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线路板料料参变量怎么样影响毫米波雷达的性能?
2020-10-17
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毫米波(mmWave)频率段能够为很多应用供给大带宽。为了充分利用带宽优势,现时主流射频电路的办公频率要比传统无线通信的办公频率高得多,况且频率范围大部分集中在24至77GHz范围,甚至于更高。典型应用领域从“5G蜂窝无线通信网络”到“高级操纵匡助系统中的防撞雷达(ADAS)”。这些个频率以前一度是军方专用,那时毫米波电路的开发成本和开发困难程度均让人民生活所使用的领域望而停步。但随着材料、电路等领域关键技术的打破,成千累万的毫米波应用如雨后春天的竹笋般在77GHz交通工具雷达系统中普及,这些个雷达和半自动操纵技术要得道路远门更加安全。为保障毫米波雷达系统的最优办公状况,怎么样挑选最适应的印刷电路板(PCB)材料就变成毫米波电路预设过程中最关键的一个步骤。

对于大部分数射频电路工程师来说,办公于毫米波频率下的电路存在非常多的不确认因素,首先面对的一个困难的问题就是怎么样挑选适应的PCB线路板料料。不过,假如能充分理解各种线路板料料的指标参变量,况且晓得这些个参变量会对毫米波电路萌生哪一些影响,那末就可以轻而易举地寻觅出适应77GHz(或其他毫米波频率)的线路层压板。简而言之,材料性能的完全一样性比啥子都关紧。能够在各种温度、各种办公背景中不受时间影响,况且能长时间维持性能牢稳的低伤耗、高性能线路板料料,就是预设毫米波电路的最佳材料。

预设毫米波频率下的PCB传道输送线,不管是微带线、带状线仍然接地共面波导(GCPW),其尺寸和特别的性质都务必曲直常精准的。信号的波长随着频率的增加而减小,因为这个频率越高,对传道输送线的精密度要求也就越高。毫米波频率下传道输送线的性能,将遭受线路板料料性能的限止,假如PCB线路板料料上各个地区范围的性能没有办法保障完全一样性,那末便会造成其加工出来的传道输送线显露出来信号伤耗、相位偏移、广泛散布延缓等好些个问题。对于那一些对时序和信号相位非常敏锐的雷达系统,延缓和相位失真会减低系统的最后性能。经过更周密地理解线路板料料的指标参变量会对毫米波电路萌生啥子样的影响,就可以更加便捷地挑选适应各种不一样类型毫米波电路(涵盖77GHz交通工具雷达系统和第五代(5G)蜂窝无线通信系统)的PCB材料。 

在用筛子选满意电路预设要求的线路板料料时,工程师通例会先思索问题自个儿比较知道得清楚的材料参变量,如介电常数(Dk)和耗散因数(Df)等。那里面,Dk是用于表征线路板料料电磁(EM)电荷储存有经验的指标,而Df是用于表征线路板料料能+羭縷伤耗的指标。相对于其外表的金属导体来说,PCB的电媒介材料可以觉得是绝缘体。况且电磁信号会沿着导体广泛散布,同时局部信号会进入了媒介材料中,另一小批信号会向四周围空间辐射。对于外表覆铜的线路板料料,较低的Dk值可以成功实现信号的较快广泛散布,同时信号也具备最低的延缓和最小的相位变动,这些个特别的性质对毫米波电路来说是十分关紧的。

Dk值一般用线路板料料的厚度方向或z轴方向的勘测值来表征。其数字依据IPC等团体制定的,况且被行业公认许可的标准来确认,通例会在某一个确认的频率(例如10 GHz)下来描写它。随着频率或温度的变动,每种电路材料的Dk,ΔDk都会有一定程度的变动,这些个变动都会对电路的性能萌生影响。

Dk值一般与线路板媒介层材料的成分(如PTFE)相关。不过,表决线路板性能的Dk值是一个复合值,它由媒介材料中运用的填料(如玻璃纤维加强材料)、材料厚度、甚至于铜导体的品质等多个因素并肩确认。为了便捷电路预设和计算机仿真建模,Dk的实际值要比其标称Dk夜里值班关紧,由于实际Dk值不惟表决了线路板上电路的尺寸,还会影响这些个电路的性能,它一般被称为“电路感知Dk值”或罗杰斯企业称之为“预设Dk值”。

电介对质Dk的影响

在预设适应于毫米波电路(例如77GHz交通工具防撞雷达)的线路板料料时,Dk是很多需求思索问题的参变量之一,Dk的变动应最大有可能地扼制在靠近其标称值的范围内。额外,能影响毫米波电路性能的其他材料参变量还涵盖:Df、材料厚度、铜导健康水平量、吸湿性以及玻璃纤维加强引动的“玻璃编制”效应。再次需求说的是,完全一样性是必必需的,特别是在毫米波频率下,这些个参变量的猛烈变动也会影响毫米波频率下的电路性能。

这些个不一样的电路参变量都会影响线路板料料的“预设Dk”值。为了保证对Dk的描写清楚且无多种意思,这处的“管用Dk”是指信号在广泛散布过程中萌生的总Dk值。对于微带线来说“管用Dk”是指媒介中的Dk以及媒介四周围空气中的Dk并肩效用下的复合值。“预设Dk”是在“管用Dk”基础上只思索问题材料本身的Dk值,即消弭了四周围的空气对Dk的影响在这以后获得的值。

运用罗杰斯企业厚度为5mil,外表铜箔为电解(ED)铜的RO3003线路板料料加工而成的微带线,在77GHz频率下测试获得其“管用Dk”(涵盖空气影响)值为2.54,其“预设Dk”值为3.16。相比较几个不一样的Dk值,可以看见,原材料在厚度方向或z轴方上进的Dk值为3.00,这个值是在没有电路因素影响的事情状况下,直接对原材料认为合适而使用标准化测试获得的值。“原材料Dk”代表了材料的特别的性质,是媒介材料的本来就有Dk。不过,“管用Dk”和“预设Dk”是用于表征电路性质的Dk。

例如,材料的“预设Dk”(以电路方式测试获得的材料Dk)会随材料厚度的变动而变动。“预设Dk”随材料厚度变动的同时,一般还会受办公频率的影响,Dk随频率增加会减低。因为这个,对于电路预设工程师来说,在利用计算机仿真软件预设毫米波传道输送线时,Dk的这些个变动会带来一定的阻抗误差。

假如微带电路认为合适而使用了比较薄的线路层压板,那末顶层的信号导面子和底层的接地面之间的距离定然会细小。相对于媒介原材料的Dk,线路层压板越薄,用其加工出来的电路就越容易遭受导体层的影响,在这种事情状况下,“管用Dk”和“预设Dk”值受导体层的影响更大。对于较薄基板上的传道输送线“预设Dk”值增加,其电容增加,同时阻抗会减低;与之相反,对于较厚的基板上的传道输送线“预设Dk”值减小,电容减小同时阻抗会增加。额外,运用较宽的传道输送线也可以间接达到增加电容的目标,但这会增加PCB上导体的平面或物体表面的大小。

对于很多高频应用,涵盖77GHz雷达,传道输送线的阻抗在各个位置均要维持完全一样,这么能力尽有可能地减损信号反射。假如传道输送线离开正道了50Ω特点标志阻抗,便会造成信号显露出来反射、伤耗和相移。对于给定的Dk变动范围,这些个偏移在毫米波频率下对相位萌生的影响要比低频频率大得多,况且会变成毫米波频率下雷达性能减退的主要端由。

毫米波电路通例会运用比较薄的PCB材料,并且大部分数事情状况下是同时里面含有摹拟电路、数码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“管用Dk”和“预设Dk”的值将会减小。以罗杰斯企业的RO4350B?线路板料料为例,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均匀值为3.96;但在30mil厚度下,“预设Dk”值降为3.68(如图1所示)。可以看见,随着厚度的增加“预设Dk”会减小;当材料厚度达到60mil时,“预设Dk”值会减低至3.66。当然,“预设Dk”也不会由于厚度连续不断增加而无限减低,当厚度增加到一定程度时Dk值会趋于牢稳,这会儿的“管用Dk”和“预设Dk”主要由线路板中的媒介材料来表决,外表导体对Dk的影响随着材料厚度的增加可以疏忽不计较。

图1

图1、不一样厚度和铜导体光洁度对介电常数的影响

为了进一步解释明白材料厚度对电路预设的影响,认为合适而使用另一种线路板料料施行一样的实验。挑选罗杰斯企业的RO3003线路板料料,作别认为合适而使用5mil,10mil和20mil三个不一样的厚度,材料具备相同类型外表铜箔(?英两的ED铜),基于50Ω微带传道输送线的差分相位法,施行“预设Dk”值的测试。在50GHz频率范围内,测试最后结果表明,“预设Dk”会随线路板厚度变动而变动(具体如图2所示)。

图2

图2、以RO3003层压板为例,材料厚度对预设Dk值的影响

铜箔对Dk的影响

线路板料料的全部组成元素都会影响“预设Dk”,所以要各个方面思索问题全部构成线路板元素的指标参变量。例如:铜导体的品质有可能会影响电路在毫米波频率下的性能。高品质的铜导体可以为传道输送线供给高导电性和高完全一样性的阻抗,这些个特别的性质是保证信号在毫米波频率下保持相位牢稳的关键因素,例如应用在77GHz交通工具雷达中。

线路板料料的铜箔外表光洁度会在一定程度上影响毫米波电路的性能。经过外表不细腻铜箔加工出来的传道输送线,其外表电磁波的广泛散布速度要慢于认为合适而使用同类型铜箔但外表更光溜的传道输送线。这处所说的的铜外表光洁度是指:在基板与铜箔接触的这个最简单的面上铜的光洁度。较慢的电磁波广泛散布速度等效于线路板料料具备较高的Dk。

为了进一步解释明白铜箔外表光洁度的差别是怎么样影响毫米波电路性能的,将4mil厚的液态晶体聚合物(LCP)作为电媒介,与不一样的铜导体组拼凑。铜导体由不一样类型的ED铜组成,每种ED铜具备不一样的外表光洁度。外表光洁度认为合适而使用均方根(RMS)值来权衡,组合的铜导体RMS值作别为0.5、0.7、1.5和3.0μm。

为了评估不一样铜导体对材料Dk的影响,在上面所说的四种不一样光洁度的LCP基板上加工出50Ω微带传道输送线,运用微波/毫米波向量网络剖析仪(VNA),在8到50GHz频带内施行测试。最后结果表明“管用Dk”值会依据铜导体的类型而变动,但各自在整个儿频率范围内几乎维持永恒固定(如图3所示)。

图3

图3、线路板料料的管用Dk随着铜导体类型及外表光洁度而变动

正如勘测最后结果所示,运用不一样类型铜导体的相同PCB材料会萌生不一样的“管用Dk”值。在认为合适而使用绝对相同的媒介材料事情状况下,运用不细腻铜箔外表材料的电路比光溜铜箔外表电路具备更高的“管用Dk”值。并且可以看见,具备更白领用Dk电路的“慢波效益”在更高频率下影响会更大一点。

额外,铜箔外表光洁度也会影响导体伤耗,尤其是在毫米波频率下,不细腻的铜导体外表会造成更高的导体伤耗。为了证验这个论断,用一样5mil厚的RO3003层压板,作别认为合适而使用ED铜和压延铜施行测试,那里面ED铜的RMS外表光洁度为2.0μm,而压延铜的RMS外表光洁度为0.35μm。

实验勘测了50Ω微带传道输送线从直流到110GHz的插进去伤耗,用于比较不一样铜导体的伤耗特别的性质。铜外表光洁度(增加)对导体伤耗、插进去伤耗的影响是显而易见的(如图4所示)。线路板料料的厚度也会对铜外表不细腻导致的伤耗萌生影响,材料越薄受铜箔不细腻的影响就越大。

图4

图4、不一样的铜导体类型会影响电路的伤耗性能

怎么样维持Dk牢稳

办公于77GHz的车载雷达能够检验测定到反射信号相位的细微差别,线路板料料“预设Dk”的不论什么变动都会影响到相位状况,因此减低系统的探量观测精密度。理想事情状况是期望线路板料料的Dk值在不论什么条件下都不要变样。但实际事情状况是材料的“预设Dk”会随频率、温度、厚度等多种因素的影响而发生变更。只有将本征电路材料Dk值的最大公差扼制在±0.05的范围内,能力保障相位的撩动不会对系统的高精密度和高靠得住性萌生影响。

为了监视检测线路板料料Dk随温度变动的事情状况,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℃时介电常数的相对均匀变动率。这个参变量对办公在温度差较大的应用(例如77 GHz雷达)来说十分关紧。不论什么应用于毫米波电路的线路板料料,都应当具备较低的TCDk值,这么能力极致地减小因Dk变动给电路性能(如相移)带来的影响。

一点基于PTFE天然树脂整体体系的线路板料料,在室温(25°C左右)背景中,其Dk值会因温度变动而发生陡变。对于大部分数应用来说,TCDk能扼制在0±25ppm/°C的范围内就觉得是比较适应的。以RO3003线路板料料来举例,当温度从-50变动到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随温度的变动也越小(如图5所示),这对于毫米波频率应用,以及那一些需求在较大温度范围内维持性能牢稳的电路来说至关关紧。

图5

图5、线路板料料随温度变动会造成预设Dk和相角的变动

在毫米波频率下,线路板料料的其他材料参变量,如:媒介伤耗(Df)、吸湿率、玻璃编制效应等恣意一个参变量都会影响材料的“预设Dk”值。与Dk同样,材料的Df也会受温度的影响,将其定义为:伤耗因数热牢稳系数(TCDf),顾名思义它也会随着温度的变动对电路预设萌生影响。而吸湿率是指线路板料料借鉴外界水份的总重量,它以百分率为单位来权衡。在较高的频率下该值越小越好,其典型值在0.1百分之百至0.2百分之百之间。罗杰斯RO3003层压板的吸湿率为0.04百分之百。

因为毫米波频率的波长细小,对于某些认为合适而使用玻璃纤维增强的特别PCB板料,其萌生的“玻璃编制效应”也会对电路性能导致影响,这些个影响与玻璃纤维在线路板媒介中的散布形式相关。玻璃纤维布有两种常见的编制形式,一种是“交织开放式编制”,这种编制形式玻璃纤维束之间会存在一点缝子;另一种是“平均开纤式编制”,玻璃纤维束扁平且半中腰没有窟窿眼儿。玻璃纤维被补充到整个儿材料中,其补充形式也有两种,一种是“平均补充”,这种事情状况x轴和y轴上的玻璃纤维疏密程度是相同的;另一种是“非平均补充”,玻璃纤维在这两个轴上具备不一样的疏密程度。对于认为合适而使用”交织方式编制”的玻璃纤维布,在没有玻璃纤维的缝子地区范围其Dk值较低,两束玻璃纤维交错形成的叠加地区范围其Dk值无上。当信号波长小到与这些个缝子的尺寸相当初,信号便会萌生失真。

对于77GHz的雷达,假如选器具备较强“玻璃编制效应”的PCB材料,可能会遭受群延缓、广泛散布延缓和相位角变动的影响。为保障相位牢稳,应当为77GHz的电路挑选认为合适而使用“平均开纤玻璃编制”作为填料的线路板料料,况且线路板料料的Dk变动要尽有可能小。假如认为合适而使用“交织开放玻璃编制”作为填料的线路板料料,在77GHz频率下,Dk值约略会有0.09的变动,这会带来大约100度的相角差。相角发生较大的变动,也就意味着这些个材料的电路的群延缓和广泛散布延缓会萌生较大的差别。理想事情状况下,认为合适而使用不含玻璃纤维的材料,如RO3003或RO3003G2层压板,就可以防止遭受“玻璃纤维效应”的影响。

额外,挑选不一样的传道输送线技术也有可能会对毫米波电路(例如77GHz交通工具雷达)的性能萌生影响。毫米波电路一般是多层混压PCB的一小批,这些个多层混压还有可能里面含有了数码电路、电源电路、甚至于光电电路。毫米波电路一般运用微带线或GCPW传道输送线技术,在PCB加工过程中,GCPW传道输送线更容易遭受镀铜厚度、导体腐刻精密度、最后镀层外表处置等因素影响(如图6所示)。固然微带线还是GCPW都可以用建临摹真来预先期待电路性能,不过在77GHz频率下,GCPW的加工困难程度和受加工影响更大。

图6

图6、传道输送线技术的挑选及其加工工艺对毫米波频率下电路的性能影响

为了评估不一样线路板料料和铜导体类型对电路的影响,不管是运用全波电磁力场仿真软件来仿真,仍然直接加工出实物施行测试,都会浪费众多的时间和精神力。一个更简单的办法是借助基于微软Windows平台研发的不收费软件手续“MWI-2019”来施行剖析。该软件可以从罗杰斯官方网站上不收费下载。该软件(请参照“More on MWI-2019”)准许用户运用其内置的数值库,来证验材料厚度、铜导体外表光洁度以及其他参变量对“预设Dk”的影响。同时该数值库也里面含有了很多其他不一样材料的“预设Dk”值。固然该软件供给的最后结果精密度略低,但它的计算时间却比全波电磁仿真软件快得多,几乎可以迅即获得毫米波电路预设中运用不一样材料和材料参变量的起初值。

更多关于MWI-2019的信息

不收费的MWI-2019软件可以帮忙大家迅速理解线路板料料在毫米波频率下的射频性能差别。它可以从罗杰斯企业的官方网站上不收费下载,可以在大部分数兼容微软操作系统的私人电脑上运行。它认为合适而使用迅速响应的闭合式方程(相对于运行时间较长的全波电磁力场仿真软件)来计算不一样材料和不一样Dk值对高频传道输送线(涵盖微带线、带状线和接地共面波导GCPW)的性能影响。

这款简单易用的软件是基于材料的“预设Dk”来预设的,它领有一个大型数值库,里面含有了不一样材料和铜导体在特别指定频率下的实测值。“预设Dk”不止思索问题了媒介材料的Dk,还思索问题了诸如频率、基板厚度和铜外表光洁度等参变量,这些个参变量都有可能会对电路传道输送线的Dk萌生影响。尽管MWI-2019没有办法达到全波电磁力场仿真软件那样子的精密度,但它可以在极短的时间内供给不一样传道输送类型、铜箔类型和基板厚度的计算最后结果,况且可以在110 GHz频率范围内为不一样的候选线路板料料供给一个可供参照的起初值。