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毫米波通路中设想传输线、取舍PCB板、功能优化
2020-10-23
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毫米波警报器传感器正在泛滥传感器中存正在半日候任务的共同特性,使其正在变化公共汽车自动保险零碎(ADAS)中的要害中心元件。毫米波警报器传感器的功能受多个要素的反应,而PCB电路板资料就是反应传感器通路功能的要害要素之一。为确保毫米波警报器传感器存正在较高的稳固性和功能分歧性,就需求思忖PCB电路板资料中的诸多要害参数。白文就PCB电路板资料中反应公共汽车毫米波警报器传感器稳固性和分歧性的多个要害参数停止了议论,综合了该署参数如何反应传感器的功能,从而更好的取舍适宜于公共汽车毫米波警报器的通路资料。

1. ADAS零碎中的毫米波警报器

以后,公共汽车主动驾御已变化寰球建筑界的一度抢手议题。各大公共汽车打造商及其供给商、高科技巨头公司等纷繁瞩目并跃跃欲试进入辅佐及主动驾御公共汽车市面。各国政府也对于主动驾御公共汽车连续出面了呼应的法规和规范,以推进其快捷衰弱停滞。2017年7月,全新奥迪A8正在巴塞罗那的首演,是寰球首款具有了L3级主动驾御性能的量产车型。

寰球公共汽车出货量的主动化水平趋向

图1、寰球公共汽车出货量的主动化水平趋向

正在主动驾御公共汽车的一直停滞进程中,公共汽车的保险性是所有停滞的大前提,是真正完成公共汽车主动驾御的要害。各族传感器需求共同任务来完成车辆对于四周条件高精密度低延时的监控,而毫米波警报器凭仗其牢靠的体现(如应答顽劣天气环境)使能公共汽车保守驾御辅佐零碎(ADAS)的各族性能。该署警报器传感器简直是一切现正在正正在运用的公共汽车保守驾御辅佐零碎技能的根底。

公共汽车警报器传感器次要有短间隔和中远间隔警报器传感器,它们的任务频次辨别是24GHz和77GHz/79GHz。24GHz警报器传感器的探测间隔约50m内外,间隔绝对于较短,次要用来盲点监测(BSD),变道辅佐(LCA)等。77GHz警报器传感器的的探测间隔更长,可到达160m到230m。相比于24GHz,77GHz警报器传感器的频次更高、跨度变短、零碎带宽更宽,从而进步了间隔和进度丈量的精密度和精确度,次要用来主动急迫制动(AEB)、公共汽车自顺应游弋掌握(ACC)和前向防撞预警(FCW)等。77GHz公共汽车警报器的使用对于应于公共汽车主动化水平的初级阶段,随着主动驾御公共汽车的停滞,77GHz公共汽车警报器传感器的需要和使用逐步呈下降趋向。

24GHz频段与77GHz频段公共汽车警报器传感器的趋向

图2、24GHz频段与77GHz频段公共汽车警报器传感器的趋向

关于诸如任务正在77GHz/79GHz频段的毫米波公共汽车警报器传感器,因为其信号的跨度很短,其通路功能和分歧性无比简单遭到多范围要素的反应。如何思忖和减小该署要素带来的反应,确保警报器传感器的功能存正在较好的分歧性就变得无比主要。对于警报器传感器的PCB通路来讲,就需求了解并思忖PCB通路资料的诸多参数以及PCB加工等带来的对于分歧性的反应,从而更好的停止通路资料的取舍和通路设想。

2. 通路资料的思忖

公共汽车警报器传感器正在毫米波频段的使用,关于通路设想工事师来说,如何取舍准确的PCB资料是设想通路一开端就要面临的应战。毫米波频段下因为其跨度较小,通路极易简单发作色散和发生高次模,因而一般思忖取舍较薄的PCB电路板资料;而通路资料的介电常数和消耗随频次的增多也变迁无比显然,因而需求取舍正在高频时存正在稳固介电常数和存正在极低消耗的通路资料。而介电常数值的值的取舍没有宜较大,较大的介电常数会使设想的超导体线宽较窄,岂但增多了通路的超导体消耗,并且增多了加工难度。

一般介质资料的Dk/Df随频次的变迁特点

图3、一般介质资料的Dk/Df随频次的变迁特点

之上的多少个思忖要素仅仅是毫米波通路设想的开端,该署要素的思忖能够使通路可以存正在较好的功能特点。但是要使成多个相反的通路都存正在分歧的和稳固的通路功能,还需求思忖资料的其余多个要素。

2.1 介电常数分歧性

介电常数(Dk)是通路资料最主要的参数之一,也是通路设想者的一度设想起程点。正在公共汽车警报器的阵列地线设想中,囊括没有同类型传输线的通路构造分寸、没有同传输线的相位差或者时延,以及完成各单元地线距离掌握等都是由资料的介电常数肯定的。同一板内的介电常数的变迁会招致公共汽车警报器尤其是毫米波公共汽车警报器的收发之间具有某一相位差,反应交通中对于其余车辆或者进度的检测精密度,形成对于其定位发生偏偏向。同声,资料没有同批次的介电常数的变迁更会惹起没有同毫米波警报器零碎具有差别,反应零碎的分歧性。

介电常数(Dk)一般能够分成资料介质的Dk和实践通路所出现的介电常数。一般咱们把资料介质的介电常数称为进程Dk,而实践通路所出现的介电常数称之为设想Dk。取舍进程Dk容差掌握较小的通路资料有益于减小零碎功能的差别和变迁。但是,关于零碎的功能分歧性,通路所出现的总的介电常数(设想Dk)更该当不值思忖。

2.2 铜箔毛糙度

家喻户晓,资料所运用铜箔的名义毛糙度对于会对于通路的介电常数发生反应。因为铜箔名义毛糙度的具有,使得电波正在通路中的流传进度变慢,绝对于于无比润滑的铜箔名义,其构成了慢波效应,从而使得通路所出现的介电常数增多。越毛糙的铜箔名义使通路所出现出的介电常数越大,而越润滑的铜箔名义的通路介电常数越小。同声,没有同薄厚的资料,即便选用相反铜箔,越薄的资料上铜箔名义毛糙度对于通路介电常数的反应越大,而越厚的资料其反应越小。图4就显现了基于相反铜箔下的RO3003TM资料,没有同资料薄厚所出现出的没有同的通路介电常数(设想Dk)值。

相反铜箔资料没有同薄厚的通路介电常数(设想Dk)

图4、相反铜箔资料没有同薄厚的通路介电常数(设想Dk)

大少数的PCB基材都会压合多少种没有同方式的铜箔,如规范电解铜(Electro Deposited copper),反转铜(Reverse Treated copper)或者拔丝铜(Rolled copper)。规范ED铜是经过电解的形式,正在钛鼓上逐步电解堆积成没有同薄厚的铜箔,一般与钛鼓平行面较为润滑,而电解液面较为毛糙。RT铜箔也归于电解铜,但是将与钛鼓面相接触铜箔名义通过解决后与基材压合构成。拔丝铜箔是经过辊压路机碾压铜块而得,陆续的辊轴碾压能够失去薄厚分歧性很好且名义润滑的铜箔。

因为事实的铜箔消费工艺,铜箔的名义毛糙度值没有能够流动没有变的,铜箔名义状态总是以没有同的上下崎岖展示,如图5所示。因而关于任何铜箔类型,铜箔的毛糙度都具有定然的变迁范畴。关于射频微波使用,Rq或者许RMS(均方根)值一般被以为较正当的铜箔毛糙度表征形式。罗杰斯公司的RO3003TM资料是被宽泛使用于77GHz公共汽车毫米波警报器的通路资料,关于RO3003TM资料的ED铜箔,其垂范的铜箔名义毛糙度的RMS值是 2.0um,铜箔毛糙度变迁的垂范值约为0.25um。越润滑的铜箔其毛糙度变迁的值也就越小。

铜箔名义状态图及没有同铜箔毛糙度容差

图5、铜箔名义状态图及没有同铜箔毛糙度容差

实践使用中通路所出现出的Dk值(设想Dk)没有只需求思忖资料进程Dk的变迁,同声需求思忖铜箔毛糙度变迁带来的反应。而往往被大少数工事师所疏忽的通路加工进程也会形成设想Dk的变迁。一般,设想工事师为了更为精确的设想通路而想晓得设想Dk值的变迁大小,最好的办法就是选取多个没有同批次资料,制造并测试多个相反通路来评价其变迁。为了更好的注明这种变迁状况,依然选取了5mil RO3003TM资料,其工夫波长达4年的多个批次制造成50Ω微带线测试通路的设想Dk。从图6能够看到,运用铜箔毛糙度RMS值为2.0um的ED铜箔的5mil RO3003TM资料,其正在77GHz时通路的设想Dk的垂范值是3.16,变迁约0.126;而运用润滑的拔丝铜的5mil RO3003TM资料正在77GHz是通路的设想Dk垂范值是3.055,变迁约0.096。这也进一步证明了,资料进程Dk的容差越小,所运用铜箔的名义越润滑,其最初废品通路的设想Dk值变迁越小,通路功能分歧性也越好。

薄厚5mil RO3003TM资料没有同铜箔下通路Dk值的变迁

图6、薄厚5mil RO3003TM资料没有同铜箔下通路Dk值的变迁

2.3 介电常数随量度变迁(TCDk)

通路资料的介电常数会随量度变迁而发作变迁,这种随量度变迁的参数无助于于工事师理解通路资料能够会发作的功能上的改观。一般把资料介电常数随量度的变迁界说为TCDk,其变迁越小示意资料(正在量度上)功能越稳固。现实通路资料的TCDk值,即便量度发作变迁也会维持流动的Dk值,其TCDk的值为0ppm/℃。但是,正在事实社会中,Dk值是会随着通路资料量度的变迁而变迁的。只要TCDk值无比低的通路资料能力被以为是存正在随量度稳固Dk的资料,一般TCDk的相对于值要小于50ppm/℃。当某一使用请求通路需求禁受较大的任务量度范畴,况且需求一直维持稳固的功能时---如公共汽车警报器传感器的使用,它就需求一直维持准确的丈量精密度,且能够任务于没有同的任务量度下---资料的TCDk参数就是需求思忖的要害参数之一。

同一树脂系统的两种资料并没有会存正在相反的TCDk特点,相似,固然PTFE是功能优异、低消耗的高频通路资料,然而基于PTFE的没有同通路资料,它的TCDk特点能够就会有很大差别。一些基于PTFE的通路资料的Dk随量度的变迁很大,TCDk值达200ppm/℃以至更高。同声,一些基于PTFE的路线板资料能够需要濒临现实形态的TCDk特点。图7比拟了没有同品种的通路资料的TCDk直线,显然看到环氧树脂系统资料存正在无比差的TCDk功能;而某些基于特别陶瓷填充的PTFE资料,就存正在较好的TCDk功能。77GHz公共汽车毫米波警报器宽泛运用的RO3003TM资料的TCDk值是-3ppm/℃。

图7、没有同品种资料的TCDk直线

图7、没有同品种资料的TCDk直线

经过设想一组试验,比拟了高TCDk资料与RO3003TM资料的没有同TCDk值带来的反应。测试基于设想的长短没有同的50Ω微带线通路来视察设想Dk和相位正在没有同量度下的变迁状况。测试后果如图8所示,RO3003TM资料因为其存正在无比小的TCDk值,正在77GHz时其Dk和通路的相位角简直没有任何变迁。而高TCDk资料正在77GHz时的Dk变迁达0.031,相位变迁到达17度。当运用高TCDk资料的毫米波公共汽车警报器传感器使用正在没有同的量度条件时,如此高的Dk和相位变迁就会重大反应零碎的分歧性。

实践通路中RO3003TM资料与高TCDk资料的功能比拟

图8、实践通路中RO3003TM资料与高TCDk资料的功能比拟

2.4 资料的吸湿性

公共汽车警报器传感器绝对于于其余类型传感器的劣势正在于能够半日候任务正在各族顽劣天气环境下。因而条件的变迁没有只仅是量度的变迁,还能够任务正在没有同的湿度条件中。设想工事师正在取舍通路资料时往往疏忽了资料的吸湿性,而现实上资料的吸湿性关于通路的功能和零碎的分歧性也是至关主要的。资料较低的吸湿功能够减小通路中介人电常数及消耗的变迁,从而使通路维持简直相反的通路功能,确保警报器传感器的定位没有会涌现偏偏向。

罗杰斯的RO3003TM资料能宽泛使用于77GHz公共汽车毫米波警报器中,低的吸湿性也是内中的一度主要缘由。那里异样以5mil RO3003TM资料为例来比拟资料吸湿性关于通路设想Dk和消耗的反应。正在基于IPC-TM-650 2.6.2.1国内规范测得的RO3003TM资料的吸湿率仅为0.04%,而所比拟的此外一种资料的吸湿率是0.3%。经过长短没有同的50Ω微带线的形式测试通路的介电常数Dk和消耗,能够看到RO3003TM资料正在70GHz频次下时的Dk和消耗辨别仅变迁0.005和0.13dB/inch;而存正在0.3%高吸湿率的资料的通路Dk和消耗变迁到达0.04和0.81dB/inch。如此高的Dk和消耗的变迁做作会惹起警报器传感器功能的没有分歧性,正在实践使用中形成偏偏向。

实践50Ω微带通路中RO3003TM资料与高吸水率资料的功能比拟

实践50Ω微带通路中RO3003TM资料与高吸水率资料的功能比拟

图9、实践50Ω微带通路中RO3003TM资料与高吸水率资料的功能比拟

2.5 玻璃布纤维效应

正在通路资料中一般会增添玻璃布来增多资料的构造强度,那样无助于于进步资料的机器稳固性。然而通路资料中的玻璃布会反应该资料的介电常数(Dk)随着地位的变迁。这种Dk的变迁是由玻璃布特部分情理交错构造形成的,发作正在无比小的海域且以周期性的形式出现。也就是说,玻璃布中玻璃纤维编织形的交叠处及小的住口空儿海域的Dk值会有没有同,如图10示例。一般,玻璃布或者玻璃纤维的Dk约为6,而住口空儿海域的Dk由资料树脂系统的Dk值决议,比方3。当具有两束玻璃纤维彼此交叠时,这时的Dk值最大;而住口空儿海域没有玻璃纤维的具有,这时的Dk最小;仅有单束玻璃纤维是Dk值从中。

玻璃布纤维彼此交叠构成的没有同Dk值

图10、玻璃布纤维彼此交叠构成的没有同Dk值

当含有该类玻璃布的资料仅使用于较广播段次时,因为信号跨度较长,简直对于通路功能没有会形成反应。而当资料使用于高频毫米波频次时,通路功能就会遭到定然的反应。以介电常数Dk为3.0、薄厚5mil的通路资料为例,当资料使用于77GHz毫米波电路板时,所设想的50欧姆微带线的幅度是12mil。罕见通路资料中大于12mil的玻璃布的交叠与空儿住口是无比罕见的。正在实践通路中,如图12左所示,当微带线辨别在于玻璃纤维束或者空儿上方时,因为Dk的没有同这时同一设想的没有同通路的阻抗就具有定然差别,从而反应通路的分歧性;异样,即便在于图11右所示状况,Dk也具有周期的变迁,招致同一微带线通路的阻抗也会周期的变迁,进而反应通路的相位,反应零碎的分歧性。

路线通过没有同海域的Dk的变迁

图11、路线通过没有同海域的Dk的变迁

正由于玻璃布带来的这种高频的玻纤效应,为了尽能够减小这种反应,正在思忖使用于如77GHz公共汽车毫米波警报器的资料时,应取舍没有含有玻璃布的通路资料。

3. 论断

主动驾御公共汽车将变化公共汽车事业将来停滞的力点和位置,而毫米波警报器传感器的共同劣势使其变化主动驾御公共汽车没有可短少的元件,且无助于于主动驾御公共汽车变化能够。PCB电路板资料是毫米波警报器传感器的根底,取舍稳固介电常数、低消耗特点的资料是设想毫米波警报器传感器的起程点。但是为了使警报器传感器存正在稳固分歧的通路功能,资料所运用铜箔类型及铜箔的名义毛糙度、介电常数随量度的变迁、资料的吸湿性、以及资料能否含有玻璃布而带来玻纤效应等都需求思忖,从而确保传感器对于物体和进度的准确检测和定位。