铜表面粗糙度的变化会引起PCB材料的色散变化吗?

由于毫米波电路的波长短,通常使用薄的层压板。但是,即使使用非常薄的介电材料,带状线及其多层电路在给定的频率下通常也会比微带或GCPW电路更厚。在较高频率下,PCB介质材料的一致性对于信号传播一致性(计算机辅助仿真)至关重要。在毫米波频率下,带状线电路中的多层介质材料结构会比微带和GCPW电路具有更高的介质损耗和插入损耗。但是,通过选取低介质损耗或低损耗因子(Df)的电路材料入手,即使在毫米波频率下,带状线插入损耗也可以得到控制和最小化。

尽管毫米波频率下的印刷电路板PCB)的设计和制造都从考虑电路材料开始,但是选择何种传输线技术对高频下的电路性能起着相当大的作用。随着蜂窝和无线通信不断占用RF/微波频段导致带宽较窄,而毫米波可以提供足够的带宽,科研人员对短程、低功耗系统(例如汽车雷达和第五代(5G)无线网络)的毫米波频率的兴趣持续增长。作为毫米波频率下常用的传输线技术,电路设计人员可能首先想到微带线,接地共面波导(GCPW)甚至矩形波导,但是带状线性能又如何呢?在紧凑密集电路中,带状线在24 GHz(许多5G基站将工作在更高的频率下)或者更高的频率下表现良好。在毫米波频率下设计和构造带状线电路时,要注意几点事项。

带状线的结构相对独特,常被与扁平的同轴电缆相比较。它具有多层结构:中间导体由上下两层的介质层(电路材料)包围,介质层外又由顶部和底部的金属屏蔽层包围。这些层叠结构增加了电路复杂性,但使导体和传输线有着较好隔离度,从而可以在RF、微波和毫米波频率(取决于PCB材料的特性)上实现极小的电路。

虽然带状线的复杂性增加了制造时间和成本,但也表现出一些出色的优点。除了高隔离度和小型化外,带状线电路的顶部和底部接地平面有助于降低辐射损耗,尤其是在毫米波频段,微带电路的高辐射损耗有时会使它们变成不需要的天线。带状线可能没有微带线或GCPW加工简单,但对于某些毫米波电路设计,它可能是最佳的传输线选择,尤其是在高性能(无干扰)的密集封装电路,或者不希望出现电路辐射和电磁干扰(EMI)的敏感应用中。

幸运的是,通过几个试验证明效果良好的设计和制造技巧,在77GHz或者更高频率下,带状线PCB的出色性能始终可以“套用”。如果需要快速了解微带线和GCPW,可以观看下面技术微学堂视频“微带线与接地共面波导在毫米波频段的性能比较”

与其他传输线格式一样,带状线电路也会随着频率的增加而缩小,以适应毫米波这样小波长的电路,但是由于其独特的多层结构,电路间将能够始终保持高隔离度。带状线电路还具有较宽的带宽,因此单个毫米波电路设计可以支持多个应用。在毫米波频率上设计和实现带状线电路时,必须采取适当的预防措施,尽可能达到最优性能,以避免产生不必要的信号,例如与宽带覆盖相关的寄生信号模式。PCB材料的选择对带状线电路在毫米波频率下的性能起着关键作用。

注意事项

铜表面粗糙度的变化会引起PCB材料的色散变化吗?

由于毫米波电路的波长短,通常使用薄的层压板。但是,即使使用非常薄的介电材料,带状线及其多层电路在给定的频率下通常也会比微带或GCPW电路更厚。在较高频率下,PCB介质材料的一致性对于信号传播一致性(计算机辅助仿真)至关重要。在毫米波频率下,带状线电路中的多层介质材料结构会比微带和GCPW电路具有更高的介质损耗和插入损耗。但是,通过选取低介质损耗或低损耗因子(Df)的电路材料入手,即使在毫米波频率下,带状线插入损耗也可以得到控制和最小化。

对于毫米波频率下的带状线电路,由于波长小,通常在较薄的介质材料上加工,铜箔导体表面粗糙度可能是一个需要关注的问题。与较光滑的铜箔导体表面相比,较粗糙的铜箔导体表面将减缓电磁波在导体中的传播。此外,导体和PCB表面粗糙度的不一致会导致信号在PCB上的电磁传播特性发生变化,尤为明显是在毫米波频率下的相位特性的变化。

铜表面粗糙度的变化会引起PCB材料的色散变化。PCB的色散是导体和介质材料的函数。不一致的色散可能不会对RF甚至微波频率下的电路造成影响,但会导致毫米波频率下某些对此很敏感的电路相位响应发生变化。

与从同轴连接器向微带或GCPW电路信号过渡的相对简单相比,带状线电路要实现从同轴连接器到PCB的有效信号过渡,需要进行适当的准备。在微带电路中,假设连接器中心导体和单接地面层的电路传输线具有相同的阻抗(例如50Ω),直接连接通常就可以有效的将信号能量从连接器传输到电路。

因为带状线的电路信号平面不在表面,所以从同轴连接器到带状线电路的信号过渡需要多次尝试。要使连接器中心导体与带状线电路导体相连接,只有通过金属化过孔(PTH)的方式来实现。由于工作频率的波长较小,信号馈入或者从连接器中心导体过渡到带状线信号平面通常通过直径极小的金属化过孔。为了在带状线电路中形成均匀的接地面,通常使用相似的PTH过孔使电路的顶部和底部接地层连接,这样最大程度地减少不同接地面中电流密度差异的可能性。当然,重要的是尽量减小过渡PTH的长度。在带状线电路中,信号路径中任何不必要的长度都可能导致反射和回波损耗降低,甚至产生寄生或谐波信号。

哪种类型的层压板最适合于毫米波频率下带状线电路呢?罗杰斯公司的RO3003层压板就是一个例子,它是陶瓷填充的聚四氟乙烯(PTFE)复合材料。整个材料的介电常数都保持在3.00±0.04以内,具有77GHz汽车雷达毫米波频段电路所需的一致性。RO3003层压板在10GHz时的Df低至0.0010,且具有极其出色的温度稳定性。同时,材料的三个轴上也具有一致的热膨胀系数(CTE),CTE一致性可确保在整个温度范围内,在毫米波频率下的带状线路中的极小过孔可保持完整性和高可靠性。
    



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