【無(wú)線射頻工藝】-PCB選擇及從微波向毫米波頻段設(shè)計(jì)過(guò)渡的考慮

1/1PCB選擇及從微波向毫米波頻段設(shè)計(jì)過(guò)渡的考慮毫米波頻段因具有更大的帶寬優(yōu)勢(shì)而漸漸被更多的應(yīng)用。5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和ADAS汽車等很多新興應(yīng)用的電路開(kāi)發(fā)者正面臨著設(shè)計(jì)并制出實(shí)際可行的30到300GHz電路解決方案的挑戰(zhàn)。本篇羅杰斯文章由兩部分組成，正如第一部分"如何完成從微波頻率到毫米波頻率的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變'所介紹的，制作用于毫米波頻率的印刷電路板（PCB），需考慮從微波電路向毫米波電路升級(jí)轉(zhuǎn)型時(shí)的電路材料特性。本篇是其次部分，探究了常常用在微波頻率下的不同電路技術(shù)以及不同電路材料是如何影響高頻毫米波電路性能的。

汽車?yán)走_(dá)應(yīng)用中的信號(hào)頻率在30和300GHz之間變化，甚至?xí)椭?4GHz，這些信號(hào)借助于不同電路功能，通過(guò)微帶線、帶狀線、基板集成波導(dǎo)（SIW）和接地共面波導(dǎo)（GCPW）等不同傳輸線技術(shù)傳播。這些傳輸線技術(shù)（圖1）通常在微波頻率下使用，有時(shí)也在毫米波頻率下使用，都需要使用特地用于這種高頻率條件的電路層壓板材料。微帶線作為最簡(jiǎn)潔、最常用的傳輸線電路技術(shù)，采納常規(guī)的電路加工工藝即可能夠?qū)崿F(xiàn)較高的電路合格率。但頻率上升至毫米波頻率，它可能不是最好的電路傳輸線。每種傳輸線都有自己的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，例如，微帶線雖然易于加工，但是當(dāng)在毫米波頻率下使用時(shí)必需解決較高的輻射損耗問(wèn)題。

圖1、當(dāng)向毫米波頻率過(guò)渡時(shí)，微波電路設(shè)計(jì)人員需要面對(duì)微波頻率下的至少四種傳輸線技術(shù)的選擇

微帶線的開(kāi)放性結(jié)構(gòu)雖然便利物理連接，但是在較高頻率下也會(huì)產(chǎn)生一些問(wèn)題。在微帶傳輸線中，電磁（EM）波通過(guò)電路材料的導(dǎo)體和介質(zhì)基板傳播，但是還有部分電磁波通過(guò)四周的空氣傳播。由于空氣的低Dk值，造成電路的有效Dk值低于電路材料的Dk值，在電路仿真時(shí)必需予以考慮。利用高Dk值材料加工制成的電路，與低Dk相比，趨于對(duì)電磁波的傳輸形成肯定的阻礙，降低傳播速率，因此在毫米波電路中通常會(huì)選用低Dk值電路材料。

由于空氣中存在肯定程度的電磁能量，所以微帶線電路會(huì)向外輻射到空氣中，類似于天線。這會(huì)給微帶線電路造成不必要的輻射損耗，損耗會(huì)隨頻率的增加而增加，也為討論微帶線的電路設(shè)計(jì)人員帶來(lái)限制電路輻射損耗的挑戰(zhàn)。為了降低輻射損耗，可以用Dk值較高的電路材料加工微帶線。但是Dk的增加會(huì)減慢電磁波傳播速率（相對(duì)于空氣），造成信號(hào)相移。另一種方法是通過(guò)使用較薄的電路材料加工微帶線來(lái)降低輻射損耗。但是與較厚的電路材料相比，較薄的電路材料更易受銅箔表面粗糙度的影響，進(jìn)而也會(huì)造成肯定的信號(hào)相移。

盡管微帶線電路配置簡(jiǎn)潔，但是毫米波頻段下的微帶線電路需要精密的容差掌握。例如需要嚴(yán)格掌握的導(dǎo)體寬度，而且頻率越高，容差會(huì)越嚴(yán)格。因此，毫米波頻段下的微帶線對(duì)加工工藝變化，以及材料中的介質(zhì)材料和銅的厚度等特別敏感，對(duì)于所需的電路尺寸的容差要求特別嚴(yán)格。

帶狀線是一種牢靠的電路傳輸線技術(shù)，能夠在毫米波頻率發(fā)揮良好性能。但是與微帶線相比，帶狀線導(dǎo)體被介質(zhì)包圍，因此不易于將連接器或其它輸入/輸出端口連接到帶狀線上進(jìn)行信號(hào)傳輸。帶狀線可以被視為類似于一種扁平同軸電纜，導(dǎo)體被介質(zhì)層包裹，然后用地層掩蓋。這種結(jié)構(gòu)可以供應(yīng)優(yōu)質(zhì)的電路隔離效果，同時(shí)使信號(hào)傳播保持在電路材料內(nèi)（而非四周的空氣中）。電磁波始終通過(guò)電路材料傳播，可以依據(jù)電路材料的特性模擬帶狀線電路，無(wú)需考慮空氣中的電磁波影響。但是，被介質(zhì)包圍的電路導(dǎo)體易受加工工藝變化的影響，而且信號(hào)饋入的挑戰(zhàn)使帶狀線難以應(yīng)對(duì)，尤其是在毫米波頻率下連接器尺寸更小的條件下。因此，除汽車?yán)走_(dá)應(yīng)用的一些電路外，帶狀線通常不用于毫米波電路。

基于SIW技術(shù)可以設(shè)計(jì)有源和無(wú)源的電路，已經(jīng)被用在汽車?yán)走_(dá)和其它毫米波應(yīng)用中，例如諧振器和濾波器。這種電路可在較高的頻率下獲得低損耗信號(hào)傳播，但是和其它電路技術(shù)一樣，SIW技術(shù)也需要平衡在毫米波頻率下的優(yōu)勢(shì)和挑戰(zhàn)。

在SIW結(jié)構(gòu)中，是利用一個(gè)上部金屬層、一個(gè)下部地層和金屬層與地層之間的幾排電鍍通孔（PTH）形成一個(gè)電路信號(hào)通路。實(shí)際上，它構(gòu)成一個(gè)用介質(zhì)材料填充的緊湊矩形波導(dǎo)。它能夠在毫米波頻率下保持低損耗特性，但是PTH必需在特別嚴(yán)格的容差內(nèi)，尤其是在較高頻率條件下。因此，SIW易受電路加工工藝變化的影響。同時(shí)，毫米波頻段下的SIW電路需要使用Dk變化最小的電路材料，而且在電路加工期間，需要進(jìn)行精密鉆孔孔徑和位置，并保持嚴(yán)格的鉆孔容差，所以在毫米波頻率條件下實(shí)現(xiàn)SIW電路也有肯定的難度。

相比而言，利用GCPW結(jié)構(gòu)并使用低Dk電路材料加工制成的電路，被廣泛用于寬頻RF/微波/毫米波頻率范圍的電路中，如在試驗(yàn)/測(cè)量等應(yīng)用。介質(zhì)和銅導(dǎo)體的對(duì)稱結(jié)構(gòu)能夠在較高頻率下實(shí)現(xiàn)低損耗?；贕CPW的毫米波電路通常與低頻微帶線電路結(jié)合在一起使用，例如接收機(jī)的中頻電路，因此需要使用符合這兩種電路技術(shù)要求的材料。

GCPW電路能夠在毫米波頻率下實(shí)現(xiàn)可重復(fù)的全都性能，但是也需要電路加工變量得以嚴(yán)格掌握，且與低損耗電路材料結(jié)合使用，才能實(shí)現(xiàn)最佳效果。通常，在設(shè)計(jì)時(shí)GCPW導(dǎo)體被假設(shè)是矩形的，但是實(shí)際加工后的導(dǎo)體通常是梯形的。在毫米波頻率下，導(dǎo)體外形和厚度變化可能造成信號(hào)相位的變化（圖2）。GCPW電路對(duì)加工工藝的要求與微帶線和SIW有一些相像之處，如與微帶線相同的是，必需盡量削減導(dǎo)體寬度和厚度的變化；與SIW相同的是，GCPWPTH必需精確?????定位，盡量削減阻抗變化和損耗，形成一個(gè)全都、連續(xù)的傳播通路。

圖2、GCPW電路導(dǎo)體設(shè)計(jì)仿真是矩形的（上圖），但是導(dǎo)體被加工后成梯形（下圖），會(huì)對(duì)毫米波頻率產(chǎn)生不同影響。

對(duì)于對(duì)信號(hào)相位響應(yīng)敏感的很多新興毫米波電路應(yīng)用（例如汽車?yán)走_(dá)）來(lái)說(shuō)，應(yīng)盡量削減造成相位不全都的緣由。毫米波頻率的GCPW電路易受材料和加工工藝變化的影響，包括材料Dk值和基板厚度的變化。其次，電路性能可能受銅導(dǎo)體厚度和銅箔表面粗糙度的影響，因此應(yīng)將銅導(dǎo)體厚度保持在一個(gè)嚴(yán)格的容差內(nèi)，同時(shí)應(yīng)盡量減小銅箔表面粗糙度。再次，GCPW電路上表面鍍層的選擇也可能影響電路的毫米波性能。例如，使用化學(xué)鎳金的電路，鎳的損耗比銅多，鍍鎳面層會(huì)增加GCPW或微帶線上的損耗（圖3）。最終，由于波長(zhǎng)小，所以鍍層的厚度變化也會(huì)造成相位響應(yīng)變化，且GCPW的影響比對(duì)微帶線的影響大。

圖3圖示的微帶線和GCPW電路用相同電路材料（羅杰斯公司的8mil厚RO4003C層壓板），在毫米波頻率下，ENIG對(duì)GCPW電路的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于對(duì)微帶線的影響。

本文和上一篇題為"如何完成從微波頻率到毫米波頻率的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變'的文章，以及關(guān)于毫米波電路的電路材料和傳輸線技