如何完成從微波頻率到毫米波頻率的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變

如何完成從微波頻率到毫米波頻率的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變目前，在汽車(chē)和5G蜂窩無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中，帶寬的使用無(wú)處不在。通常定義的毫米波頻段是30GHz到300GHZ的頻率范圍，但是在車(chē)載毫米波雷達(dá)系統(tǒng)中從24GHz就開(kāi)始了。所以許多微波電路設(shè)計(jì)人員都面臨著提高頻率并研發(fā)毫米波印刷電路板（PCB）的任務(wù)。他們需要設(shè)計(jì)并加工出毫米波頻率的小波長(zhǎng)所需的更精細(xì)電路特征，實(shí)現(xiàn)微波頻率到毫米波頻率的轉(zhuǎn)變。頻率較高的電路設(shè)計(jì)需要謹(jǐn)慎選擇適合毫米波頻率和電路加工工藝且支持較高頻率的電路材料。本文章的第一部分將探索適合毫米波頻率的電路材料特性。第二部分將解釋說(shuō)明能幫助電路在毫米波頻率下發(fā)揮最好性能的高頻結(jié)構(gòu)和加工工藝。毫米波PCB曾經(jīng)被視為是深?yuàn)W難懂的，或者至少被視為僅用作軍用/航空航天應(yīng)用。6GHz以下的大量無(wú)線通信用戶和產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)使低頻頻段擁堵，促使人們對(duì)更高頻率的使用產(chǎn)生濃厚興趣。雖然前四代蜂窩無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)能夠在低頻率下可靠運(yùn)行，但是第五代（5G）正在探索毫米波頻率，以便為高速、短距離數(shù)據(jù)鏈路獲得更高有效帶寬。除了個(gè)人無(wú)線通信以外，5G網(wǎng)絡(luò)還能支持無(wú)數(shù)傳感器、識(shí)別、監(jiān)控和監(jiān)測(cè)裝置。此外，包括汽車(chē)制造商依賴高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）設(shè)備，也正在使用毫米波頻率來(lái)設(shè)計(jì)短程雷達(dá)。因此，對(duì)毫米波電路的需求日益增加，也相應(yīng)對(duì)可靠電路材料的需求也日益增多。材料性能在從微波頻率向毫米波頻率轉(zhuǎn)變的過(guò)程中，電路設(shè)計(jì)人員會(huì)面臨很多變化。隨著頻率的增加，波長(zhǎng)不斷縮短，因此需要更精密的電路結(jié)構(gòu)。而且，毫米波頻率下的信號(hào)功率通常比微波頻率下的信號(hào)功率低，因此減少電路功率損失是電路設(shè)計(jì)的一個(gè)重要目標(biāo)。在不考慮電路結(jié)構(gòu)類型的情況下，例如毫米波頻率下的微帶線、帶狀線、基板集成波導(dǎo)（SIW）或接地共面波導(dǎo)（GCPW），對(duì)于向更高頻率轉(zhuǎn)變的電路和應(yīng)用，應(yīng)考慮毫米波電路材料是否有最佳基本性能，例如介電常數(shù)（Dk）和損耗因子（Df）。電路材料的Dk與材料的復(fù)介電常數(shù)的實(shí)數(shù)部分有關(guān)，而電路材料的Df或損耗角正切與材料的復(fù)介電常數(shù)的虛數(shù)部分有關(guān)。這些參數(shù)以及電路材料的其它基本性能有助于我們深刻理解電路層壓板材料在毫米波頻率下如何表現(xiàn)。例如，汽車(chē)?yán)走_(dá)系統(tǒng)等許多應(yīng)用在毫米波頻率（例如77GHz）下需要一致、穩(wěn)定的信號(hào)相位。一種非常適合毫米波電路的材料是不會(huì)對(duì)電路的相位響應(yīng)或信號(hào)通過(guò)金屬導(dǎo)體傳播的方式產(chǎn)生任何影響。為了保證毫米波頻率下的這種性能，電路材料的Dk值僅允許有極小的變動(dòng)。若可以準(zhǔn)確測(cè)量，則即使是很小的Dk偏差也可能造成毫米波傳輸線上的信號(hào)傳播和相位變動(dòng)。電路的介電常數(shù)通?？梢栽诒粶y(cè)電路材料上加工制作一個(gè)參考電路，并測(cè)量不同長(zhǎng)度的傳輸線在不同測(cè)試頻率下的相位，依此確定電路材料的Dk。傳輸線的測(cè)試頻率和相位長(zhǎng)度與Dk值對(duì)應(yīng)，而Dk值與介質(zhì)材料和厚度以及層壓板金屬的實(shí)測(cè)厚度有關(guān)。對(duì)于小波長(zhǎng)的毫米波信號(hào)，根據(jù)傳輸線形式，Dk值較低且穩(wěn)定（3.0左右）的電路材料支持信號(hào)相位僅有微小變動(dòng)更多高頻電路的應(yīng)用。保持材料中Dk的穩(wěn)定性，可以減少信號(hào)相位的變動(dòng)。而且，電路材料的Dk變化對(duì)毫米波頻率下電路的影響程度還與電路和傳輸線的類型相關(guān)。一些電路形式非常適合標(biāo)準(zhǔn)電路加工工藝，但是可能不支持毫米波所需的所有電路特征。從微波低頻電路向毫米波高頻電路轉(zhuǎn)變?cè)O(shè)計(jì)過(guò)程中，為了取得最佳效果，也意味著對(duì)電路層壓板以及傳輸線技術(shù)的選擇。另一個(gè)需要考慮的電路材料的基本屬性是Df或損耗角正切，通常也稱為“損耗”。低Df值通常與低Dk值相關(guān)。與Dk一樣，毫米波電路更青睞低Df電路材料。相似地，電路材料的Df變化是頻率的函數(shù)，隨著頻率的增加而增加，從而影響電路的振幅響應(yīng)。對(duì)于毫米波頻率下的所有電路，如前所述，電路傳輸線技術(shù)的選擇應(yīng)是電路材料選擇的一部分，因?yàn)槟承﹤鬏斁€技術(shù)受Dk和Df變化的影響較小。但是，一些傳輸線技術(shù)（本博客第二部分將會(huì)闡述）更適合兼容一些加工帶來(lái)的變化，而這些加工的變化即使在最優(yōu)的電路層壓板上加工毫米波電路也可能無(wú)法避免的。其它的一些電路材料性能也有助于進(jìn)一步幫助確定用于毫米波電路的電路層壓板。如層壓板上的銅箔和介質(zhì)交界處的銅箔表面粗糙度會(huì)限制毫米波電路的性能。電路損耗和信號(hào)相位變化取決于工作頻率和傳輸線類型。對(duì)于微帶線（圖1）來(lái)說(shuō)，銅箔越光滑越好，因?yàn)殂~箔表面較粗糙的電路與具有相同介質(zhì)材料、厚度但是銅箔表面較光滑的層壓板相比，導(dǎo)體（插入）損耗和相位變化會(huì)增加。電路材料越薄，銅箔表面粗糙度的影響越大（圖2）。介質(zhì)材料厚度增加可以降低該影響，但是對(duì)于大部分微帶線電路而言，這種做法會(huì)增加電路對(duì)介質(zhì)損耗的敏感度。圖1、電路的橫斷面的介質(zhì)材料交界面處的銅箔表面粗糙度圖2、銅箔表面粗糙度對(duì)電路損耗的影響，使用相同的羅杰斯公司的5milRO3003?介質(zhì)材料銅箔導(dǎo)體表面粗糙度會(huì)影響毫米波電路特性，尤其是頻率越高影響越大，這是由于電磁（EW）波的趨膚深度隨著頻率的增加而減少的原因。當(dāng)電磁波的趨膚深度接近或低于銅導(dǎo)體表面粗糙度量級(jí)時(shí)，幅度和相位的惡化程度最大。這種情況一般在毫米波頻率下發(fā)生。電路材料可以使用不同類型的銅箔，每種銅箔類型都有自己的表面粗糙度值。高輪廓銅箔最為粗糙，對(duì)毫米波電路損耗和相位性能的影響最大。而壓延銅最為光滑，它的影響也最小。在之間，反轉(zhuǎn)處理銅箔（RT）和電解銅箔（ED）之間的表面粗糙度處于中間值，對(duì)損耗和相位的響應(yīng)影響也處于中間值。對(duì)于同一種材料而言，較粗糙的銅箔表面會(huì)使電路產(chǎn)生一個(gè)較高的有效Dk值，或電路“看到”的Dk值，如某種設(shè)計(jì)的較厚銅（例如GCPW）一樣。較高的有效Dk值會(huì)減慢電磁波的傳播速度，造成毫米波電路的相位變化。因此，當(dāng)基于具有特定實(shí)際或“設(shè)計(jì)”Dk值的電路材料進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮層壓板的銅箔表面粗糙度和厚度。因?yàn)殂~箔厚度、銅箔表面粗糙度等的變化可能造成不必要的電路性能變化，特別是在毫米波頻段下。與較薄的電路相比，介質(zhì)材料較厚的電路受銅箔影響較小。下一篇文章（PCB選擇及從微波向毫米波頻段設(shè)計(jì)過(guò)渡的考慮），即作為微波電路向毫米波電路轉(zhuǎn)變的研究的第二部分，將評(píng)述毫米波電路使用的一些傳輸線技術(shù)以及它們?cè)诩庸すに嚪矫娴男阅軐?duì)比。電路材料和傳輸線技術(shù)的巧妙選擇能夠產(chǎn)生實(shí)用的高性能毫米波電路。關(guān)于