高頻率具有不可比擬的商業價值
，因為有更寬的可用帶寬。隨著手機、WLAN和其它商業應用大量應用較低的頻段， 60, 77甚至94 GHz的毫米波頻段能夠滿足如第五代（5G）蜂窩係統和汽車雷達等新興應用的越來越大的帶寬需求。了解毫米波頻率下基本材料屬性
，不僅適用於77 GHz的線路板材料應用
，還適用於越來越多28 GHz以上的高頻應用。

 

關鍵特性

 

77 GHz雷達（和其它毫米波）電路設計的六個關鍵線路板材料特性包括介電常數（Dk）或相對介電常數（εr）、損耗因子（Df）或損耗角正切，或tanδ、銅表麵粗糙度、Dk的熱穩定係數（TCDk）、吸水性和玻璃纖維效應。 在毫米波頻率下，高頻線路板材料很少能在所有六種特性中表現出色。 此外，考慮到毫米波頻率的小波長下需要的精細電路尺寸，PCBcailiaodejiagongtexingyeshixuanzezhezhongdianlucailiaodezhongyaokaolvyinsu。hennanzhaodaoyizhongzaisuoyouliuzhongtexingzhongdounengtigonggaozhiliangdexianlubancailiao
，erqiezhezhongcailiaohaijuyoukezhongfuxinghekekaodedianluzhizaonengli。

 

對77 GHz汽車雷達和其它毫米波電路應用的線路板材料Dk的考慮實際上有兩個方麵：原始基板介質本身的Dk，以及與電路相關的設計Dk。 對於原始基板介質Dk
，可以根據其公差和色散來考慮。Dk公gong差cha是shi由you製zhi造zao層ceng壓ya板ban過guo程cheng中zhong的de一yi些xie變bian量liang決jue定ding的de一yi種zhong材cai料liao參can數shu，在zai某mou些xie應ying用yong中zhong可ke能neng需xu要yao比bi較jiao小xiao的de公gong差cha。根gen據ju高gao頻pin率lv毫hao米mi波bo電dian路lu的de經jing驗yan
，通tong常chang±0.050的Dk容差是可接受。Dk色散是材料的自然屬性，是指Dk隨頻率的變化特性。對於寬帶應用而言，這通常更為重要
，因為材料必須工作在很寬的不同頻率下，例如77 GHz頻段。

 

設計Dk是由材料電路形式確定的Dk“工作值”的一種形式。 設計Dk1-3受許多變量的影響，因此很難評估參數的變化。眾所周知，通過電路媒質的電磁（EM）波傳播速率會因材料Dk的增加而變慢。同樣的，線路板材料的銅粗糙度會影響電磁波的相速
，影響線路板材料在77 GHz和其它毫米波頻率下的性能（見圖1）2。

 

圖1.有效Dk與頻率的關係，基於僅有銅箔表麵粗糙度不同的50Ω微帶傳輸線電路測試。

 

如圖1所示，基於相同的4mil的LCP基板材料加工製作了四種不同的層壓板和電路。這款LCP是(shi)一(yi)種(zhong)各(ge)向(xiang)同(tong)性(xing)的(de)基(ji)板(ban)，在(zai)較(jiao)寬(kuan)的(de)微(wei)波(bo)和(he)毫(hao)米(mi)波(bo)頻(pin)率(lv)範(fan)圍(wei)內(nei)都(dou)性(xing)能(neng)優(you)異(yi)。這(zhe)四(si)種(zhong)層(ceng)壓(ya)板(ban)的(de)介(jie)質(zhi)完(wan)全(quan)相(xiang)同(tong)，但(dan)使(shi)用(yong)了(le)不(bu)同(tong)的(de)銅(tong)箔(bo)類(lei)型(xing)，具(ju)有(you)不(bu)同(tong)銅(tong)箔(bo)表(biao)麵(mian)粗(cu)糙(cao)度(du)。不(bu)同(tong)的(de)表(biao)麵(mian)粗(cu)糙(cao)度(du)指(zhi)的(de)是(shi)介(jie)質(zhi)與(yu)銅(tong)箔(bo)相(xiang)連(lian)接(jie)的(de)界(jie)麵(mian)處(chu)的(de)銅(tong)箔(bo)表(biao)麵(mian)粗(cu)糙(cao)度(du)，是(shi)在(zai)在(zai)覆(fu)銅(tong)層(ceng)壓(ya)板(ban)形(xing)成(cheng)前(qian)測(ce)量(liang)得(de)到(dao)的(de)表(biao)麵(mian)粗(cu)糙(cao)度(du)。將(jiang)不(bu)同(tong)粗(cu)糙(cao)度(du)的(de)層(ceng)壓(ya)板(ban)送(song)到(dao)PCB製造製作50Ω微帶傳輸線進行測試。每組實驗測試的電路都是隻有長度不同、其他都均相同的兩個電路。使用微帶差分相位長度法，通過每個電路的長度不同，就可以得有效的Dk與頻率的關係。如圖1所示，銅箔表麵最平滑的電路具有最低的有效Dk。而粗糙銅箔的電路顯示出有效Dk增加的趨勢。在僅僅隻有銅箔表麵粗糙度不同的情況下
，電路中有效Dk的差異約為0.3。

 

對於設計Dk，使用較薄的比使用較厚材料的電路更容易受到銅箔粗糙度的影響。例如，如果使用較厚的基板進行類似圖1測試，則不同銅表麵粗糙度的有效Dk值的差異將小得多。正如圖中四個有效Dk微小曲率所表明的那樣，其隨頻率有一些變化。這種變化與微帶傳輸線的色散特性有關，同時也是材料色散的結果。 當從有效Dk數據中提取Dk時，Dk與頻率的關係曲線（設計Dk曲線）通常會有一個小的負斜率，如圖2a和2b所示。

 

圖2. 多個5mil厚的RO3003™線路板材料的微帶線設計Dk，電解銅（a）和壓延銅（b）。

 

圖2a和2b中所示的Dk與頻率的關係曲線顯示了正常的變化趨勢，隨著頻率的增加呈輕微的負斜率。即使在Dk反推計算過程中除了微帶線色散的影響，材料色散也將導致Dk隨頻率略微降低。 設計Dk值的範圍（~3.1）可能看起來很大
，但實際上並不大，因為許多變量都會影響設計Dk。對於材料，介質材料Dk的變化範圍僅為±0.040或0.080。電dian路lu加jia工gong也ye會hui使shi其qi發fa生sheng一yi些xie變bian化hua，例li如ru導dao體ti寬kuan度du和he梯ti形xing效xiao應ying的de變bian化hua。梯ti形xing效xiao應ying指zhi的de是shi信xin號hao導dao體ti的de形xing狀zhuang，理li想xiang情qing況kuang下xia是shi矩ju形xing橫heng截jie麵mian，但dan實shi際ji電dian路lu多duo為wei的de是shi梯ti形xing形xing狀zhuang。導dao體ti形xing狀zhuang的de變bian化hua會hui導dao致zhi電dian流liu密mi度du和he邊bian緣yuan場chang的de變bian化hua
，並bing且qie在zai較jiao高gao的de毫hao米mi波bo頻pin率lv下xia，這zhe些xie效xiao應ying會hui影ying響xiang性xing能neng。圖tu2中所示曲線的變化也與基板厚度的公差、最終銅鍍層厚度的以及銅箔表麵粗糙度的變化有關。

 

如圖2a中所示的電路上使用的標準電解（ED）銅，其表麵粗糙度會出現正常的上下變化; 這些電路所使用的ED銅的表麵粗糙度典型值為2.0μm RMS
，但實際的粗糙度可以在1.8至2.2μm之間變化。對於在這個粗糙度變化範圍
，稍光滑的電路，設計Dk的值較低，稍粗糙的電路
，設計Dk的值會較高。對於圖2a中的設計Dk範圍（77 GHz下的0.126），考慮到影響它的許多變量
，這是一個良好控製的設計Dk容差（±0.063）。

 

與圖2a相比
，圖2b使用更光滑的壓延銅的相同介質電路材料, 設計Dk的變化就要小的多。盡管在ED銅和壓延銅的電路加工上也存在一些細微的差異，但這表明光滑的壓延銅可以減小設計Dk變化。

 

tongbobiaomiancucaodujiqibianhuayehuiyingxianggaopinweidaidianludecharusunhao。jiaocucaodetongbobiaomianhuidaozhijiaogaodedaotisunhaobingzuizhongdaozhigenggaodecharusunhao。charusunhaohaiqujueyudianlujibanhoudu，qizhongjiaobodedianlubijiaohoudedianlugengrongyishoutongbobiaomiancucaodudeyingxiang。liru，duiyuzaixiangtongjiezhicailiaoshangzhizaodedianlu，bijiaojuyoubutongtongbobiaomiancucaoduhebutonghoududedianlu，shiyongguanghuahecucaotongbodebodianluzhijiandecharusunhaochayibishiyongxiangtongtongbodehoudianluzhijiandecharusunhaochayigengxianzhe。zaishiyong5mil厚度RO3003材料的電路的情況下，使用光滑壓延銅和使用粗糙ED銅的電路在25GHz下的插入損耗差為0.35dB / in。對於類似的比較
，使用20mil 厚度的RO3003層壓板，粗糙的ED銅和光滑的壓延銅的電路插入損耗差為0.10 dB / in。這表明較薄的電路比厚的電路受銅箔表麵粗糙度差異的影響更大，而大多數毫米波電路是需要選擇相對薄的電路材料的。

 

為了顯示銅箔表麵粗糙度的影響，圖3給出了具有相同（5mil）介質厚度但銅箔表麵粗糙度不同的兩種類似線路板材料上的微帶電路。這些都是目前在77 GHz應用中廣泛使用的材料，羅傑斯公司的RO3003材料已有較長一段時間且出貨量大。RO3003G2™材料是最新發布的一款材料，它是基於RO3003材料，專門針對77 GHz汽車雷達應用進行了優化的電路材料。因為這兩種材料具有相似的Dk和Df值，插入損耗中顯示的差異主要是由於銅箔表麵粗糙度帶來的。使用標準ED銅的RO3003材料的銅箔表麵粗糙度典型值為2.0μm RMS，而使用的壓延銅的典型值是0.35μm RMS。RO3003G2材料采用超低粗糙度的（VLP）ED銅
，表麵粗糙度的典型值僅為0.7μm RMS。

 

圖3. 基於5mil厚度具有相似Dk值材料、不同表麵粗糙度的77GHz電路微帶插入損耗曲線

 

T與RO3003層壓板的ED銅箔相比，RO3003G2的VLP ED銅箔顯著改善了電路的插入損耗。盡管仍不如壓延銅的插入損耗性能，但成本相比壓延銅具有很大的優勢。VLP ED銅箔比ED銅箔的材料成本約高一點

，但與更昂貴的壓延銅相比卻節省了大量成本，且插入損耗性能明顯提高。越光滑的銅箔，如類似VLP ED銅箔

，電路具有更加一致的相位響應。另一方麵，對於77 GHz汽車雷達電路使用的微通孔
，更平滑的VLP ED銅有利於激光鑽孔加工微通孔。另外，RO3003G2使用小的圓球形填料顆粒也有利於激光鑽孔。通過激光鑽孔和較小的填料顆粒，使加工的毫米波頻率（例如77GHz）下的電路性能變得更加容易且性能實現更高的可重複。

 

由於汽車雷達傳感器的工作溫度範圍廣，TCDk是一個極其重要的線路板材料參數和特性
，是衡量材料的Dk隨溫度變化的程度。對於許多應用

， TCDk值應小於| 50 |PPM /℃即可以接受。該值是一個絕對值，是因為TCDk可以是正數或負數
，趨近於零表示Dk隨溫度變化最小的。如圖4a和4b所示
，Dk可以隨頻率和溫度變化可能很大
，可能較小。該圖比較了兩個5mil的RO3003G2和一種PPE 層壓板Dk隨溫度的變化情況。

 

圖4. 電路在不同溫度下
，對77 GHz的汽車雷達應用的優勢材料(a)和一種PPE基板材料(b)微帶傳輸線測試情況

 

77 GHz汽qi車che雷lei達da傳chuan感gan器qi在zai安an裝zhuang於yu汽qi車che內nei部bu，汽qi車che的de行xing駛shi環huan境jing造zao就jiu雷lei達da傳chuan感gan器qi的de工gong作zuo環huan境jing的de確que是shi惡e劣lie的de，還hai包bao括kuo潮chao濕shi環huan境jing吸xi水shui性xing的de影ying響xiang。線xian路lu板ban材cai料liao吸xi水shui性xing參can數shu就jiu是shi指zhi線xian路lu板ban材cai料liao在zai給gei定ding環huan境jing中zhong可ke吸xi收shou的de水shui分fen多duo少shao。水shui分fen子zi是shi有you極ji性xing的de，會hui增zeng加jiaPCB插入損耗，也會導致線路板材料的Dk的增加。由於相位一致性對於77 GHz汽(qi)車(che)雷(lei)達(da)應(ying)用(yong)至(zhi)關(guan)重(zhong)要(yao)，因(yin)此(ci)線(xian)路(lu)板(ban)材(cai)料(liao)吸(xi)水(shui)性(xing)對(dui)相(xiang)位(wei)一(yi)致(zhi)性(xing)的(de)任(ren)何(he)影(ying)響(xiang)都(dou)值(zhi)得(de)關(guan)注(zhu)。相(xiang)位(wei)通(tong)常(chang)隨(sui)著(zhe)電(dian)路(lu)吸(xi)水(shui)性(xing)的(de)增(zeng)加(jia)而(er)增(zeng)加(jia)。為(wei)了(le)評(ping)估(gu)這(zhe)些(xie)效(xiao)果(guo)，對(dui)RO3003G2線路板材料和基於PPE的高頻材料進行了對比測試。先測試在室溫條件（+ 23°C和30% RH）下比較電路的相位差，然後放置在+ 85°C/85％RH環境下72小時後再次測試。如圖5所示
，不同材料吸水性不同會產生不同的性能差異。選擇低吸水性材料可以減小對相位帶來的影響，對77 GHz汽車雷達係統的性能產生重大影響。

 

圖5. 比較在室溫（RT）和72小時雙85（+ 85℃
，85％RH）條件下電路的微帶線電路展開相位差。

 

玻璃纖維影響

 

許多高頻線路板材料強度依賴於玻璃纖維增強層; 不幸的是，玻璃纖維效應會影響電路性能，特別是在77 GHz和毫米波頻率下。用於加強線路板材料的玻璃纖維編織圖案也會引起整個線路板材料中小區域內Dk的差異。幸運的是，羅傑斯公司的一些高頻線路板材料，特別是RO3003和RO3003G2層壓板

，沒有使用玻璃纖維增強，也就不會存在玻璃效應。

 

圖6. 線路板材料中的玻璃纖維效應可以從纖維編織層的圖(a)看出，圖(b)顯示了由於玻璃纖維效應的兩個電路具有不同的Dk值
，(c)玻璃纖維效應如何導致電路導體具有周期性變化的Dk

 

圖6a，6b和6c提供了玻璃纖維編織的不同視圖。圖6a中使用1080型玻璃布，在玻璃纖維束和玻璃束交叉點，以及沒有玻璃纖維的開口區域會導致線路板不同區域具有不同的Dk值。玻璃纖維的Dk通常約為6，而樹脂係統的Dk要小得多（通常約2.1至2.5），從而得到總的Dk約為3的用於汽車77GHz雷達傳感器應用層壓板。一般來說，可能玻璃束區域和沒有玻璃的區域之間的差異不足以在77 GHz時引起較大的問題。但是某些玻璃布類型的尺寸可能正好與毫米波頻率的波長成一定比例
，從而可能導致77GHz下產生性能的影響。

 

T1080玻璃中的開口約為10mil（0.25mm）
，對於Dk約為3的層壓板的微帶線電路
，在77GHz下波長約為97mil（2.46mm）。與波長成一定比例就可以引起共振和幹擾信號傳播; 通常，如果電路媒介具有大小為1/8波長或更小尺寸，則不會引起信號波的傳播問題。這種類型電路的1/8波長約為12mil（0.31毫米），與開口大小非常接近
，足以引起關注。

 

當(dang)隻(zhi)比(bi)較(jiao)少(shao)量(liang)電(dian)路(lu)時(shi)，可(ke)能(neng)看(kan)不(bu)到(dao)玻(bo)璃(li)纖(xian)維(wei)效(xiao)應(ying)帶(dai)來(lai)的(de)影(ying)響(xiang)。然(ran)後(hou)，隨(sui)著(zhe)電(dian)路(lu)數(shu)量(liang)的(de)增(zeng)加(jia)
，電(dian)路(lu)性(xing)能(neng)的(de)比(bi)較(jiao)差(cha)異(yi)可(ke)能(neng)就(jiu)會(hui)越(yue)來(lai)越(yue)明(ming)顯(xian)。同(tong)樣(yang)隨(sui)著(zhe)頻(pin)率(lv)的(de)增(zeng)加(jia)，概(gai)率(lv)也(ye)會(hui)增(zeng)加(jia)。這(zhe)在(zai)如(ru)77 GHz汽車雷達傳感器應用的毫米波頻率中是很常見的。玻璃纖維效應的主要問題如圖6b所示，其中電路與玻璃纖維編織剛好對齊，使得一個電路與另一個電路具有具有截然不同的Dk值，盡管使用了相同線路板材料和電路設計。圖6c中的玻璃纖維與電路的方式產生的周期性Dk也是一個問題。在該電路中，由於電路設計和玻璃纖維之間的有一定角度，電路形成了高Dk和低Dk的de階jie梯ti阻zu抗kang結jie構gou。如ru果guo對dui大da量liang電dian路lu進jin行xing評ping估gu，這zhe種zhong略lve成cheng角jiao度du的de相xiang對dui位wei置zhi比bi大da多duo數shu工gong程cheng師shi所suo假jia設she的de完wan全quan一yi致zhi排pai列lie更geng為wei常chang見jian，因yin為wei玻bo璃li纖xian維wei編bian織zhi並bing不bu總zong是shi完wan美mei的de網wang格ge。玻bo璃li纖xian維wei編bian織zhi的de大da部bu分fen區qu域yu可ke能neng會hui偏pian斜xie，即ji使shi電dian路lu圖tu形xing是shi嚴yan格ge的de網wang格ge，但dan玻bo璃li纖xian維wei編bian織zhi在zai電dian路lu某mou些xie區qu域yu可ke能neng也ye並bing不bu是shi網wang格ge。

 

在2018年末羅傑斯對玻璃纖維效應進行了研究4，並於2018年10月舉辦了一個網絡研討會（可在微波雜誌網站上獲得）。考慮了許多電路配置，但研究重點放在一項針對玻璃纖維交點-束和束-開口的模式（如圖6b）中，因為它是77 GHz汽車雷達中的PCB出現的類似報告問題。本研究采用純聚四氟乙烯（PTFE）和壓延銅為基板的薄層壓板（4mil或0.102mm）cailiao。fenxilesizhongbutongdecengyaban
，tamenzhijiandezhuyaoqubiezaiyubutongdebolixianweizengqiangceng。caiyongyayantongyouzhuyujianshaotongbobiaomiancucaodudailaideduibenshiyandeyingxiang。shiyongmeiyoutianliaodechunPTFE線路板材料可以呈現出最差的情況，因為填充顆粒可以減小有無玻璃纖維的區域之間的Dk差異。

 

為此研究測試了數百個電路，檢查並尋找理想的玻璃纖維與導體的準確相對位置，以評估由於局部位置（如圖6b）而具有高Dk和低Dk的電路之間的差異。 圖7提供了77 GHz頻率下玻璃纖維效應對相位響應的影響的測試彙總圖。

 

圖7. 曲線顯示圖6b所示的電路玻璃纖維位置引起的Dk不同在相同設計和相同材料（4mil厚PTFE）的微帶線電路的相位與頻率的差異。

 

圖7顯示了具有1080玻璃布的純PTFE線路板材料上微帶線電路的相位與頻率的關係曲線。這是玻璃布是一種不平衡的開口編織風格。另一種是常用於薄電路層壓板是106玻璃布， 它是一種開口、平衡且尺寸小的玻璃布。玻璃布式樣的平衡或不平衡，取決於玻璃兩個經緯向上的玻璃纖維多少和密度。 當玻璃纖維在經向的玻璃密度與緯向的玻璃密度大致相同時，它是平衡的

，反之

，它是不平衡的。 如圖7所示，當使用106玻璃布的電路測試相位變化時，微帶線在77 GHz的相位變化為64.7度/英寸。

 

本ben實shi驗yan還hai采cai用yong開kai纖xian玻bo璃li布bu的de線xian路lu板ban材cai料liao。顧gu名ming思si義yi
，它ta的de玻bo璃li束shu被bei完wan全quan攤tan開kai像xiang玻bo璃li平ping板ban。玻bo璃li交jiao節jie仍reng然ran存cun在zai，但dan是shi沒mei有you開kai口kou區qu域yu或huo開kai口kou區qu域yu非fei常chang小xiao並bing且qie通tong常chang小xiao於yu1mil（0.025mm）。 本實驗中使用的開纖玻璃布是1078玻璃布。使用與圖7中的相同設計的電路的測試

，微帶線在77GHz處的相位變化為13.4度/英寸。

 

很明顯，玻璃纖維效應會對線路板材料的電性能產生影響，特別是對於77 GHz汽車雷達和其他毫米波應用。 當在較高頻率下需要嚴格關注性能時，可使用沒有玻璃布的線路板材料-羅傑斯公司的RO3003和RO3003G2層(ceng)壓(ya)板(ban)等(deng)線(xian)路(lu)板(ban)材(cai)料(liao)。這(zhe)兩(liang)種(zhong)材(cai)料(liao)沒(mei)有(you)編(bian)織(zhi)布(bu)增(zeng)強(qiang)

，因(yin)此(ci)不(bu)會(hui)因(yin)玻(bo)璃(li)纖(xian)維(wei)效(xiao)應(ying)而(er)對(dui)高(gao)頻(pin)電(dian)路(lu)而(er)產(chan)生(sheng)性(xing)能(neng)影(ying)響(xiang)。但(dan)材(cai)料(liao)的(de)強(qiang)度(du)性(xing)能(neng)仍(reng)然(ran)很(hen)好(hao)，完(wan)全(quan)確(que)保(bao)77 GHz汽車雷達以及其他微波和毫米波電路性能可預測性和應用的可靠性。

 

作者：約翰·孔羅德，羅傑斯公司

 

References：

 

1. John Coonrod, “The effects of Design Dk on Microwave Circuit Design,” Rogers Corporation Technology Support Hub, 2014.

2. Allen F. Horn, John W. Reynolds, and James C. Ratio, “Conductor Profile Effects on the Propagation Constant of Microstrip Transmission Lines,” IMS Microwave Theory and Technology Symposium, 2010.

3. John Coonrod, “What RF Circuit Designers Need to Know About Dk, Part 1 and Part 2,” Rogers Corporation Technology Support Hub, Coonrod’s Corner videos, November 2015.

4. John Coonrod, “An Overview of Glass weave Impact on Millimeter-Wave PCB Performance,” Rogers Corporation Technology Support Hub, October 2018.

 

來源： 電子萬花筒

 

 

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