【導(dǎo)讀】在高頻電路設(shè)計(jì)中，可以采用多種不同的傳輸線(xiàn)技術(shù)來(lái)進(jìn)行信號(hào)的傳輸，如常見(jiàn)的同軸線(xiàn)、微帶線(xiàn)、帶狀線(xiàn)和波導(dǎo)等。而對(duì)于PCB平面電路，微帶線(xiàn)、帶狀線(xiàn)、共面波導(dǎo)（CPW），及介質(zhì)集成波導(dǎo)（SIW）等是常用的傳輸線(xiàn)技術(shù)。但由于這幾種PCB平面?zhèn)鬏斁€(xiàn)的結(jié)構(gòu)不同，導(dǎo)致其在信號(hào)傳輸時(shí)的場(chǎng)分布也各不相同，從而在PCB材料選擇、設(shè)計(jì)和應(yīng)用，特別是毫米波電路時(shí)表現(xiàn)出不同的電路性能。本文將以毫米波下通用的PCB平面?zhèn)鬏斁€(xiàn)技術(shù)展開(kāi)，討論電路材料、設(shè)計(jì)等對(duì)毫米波電路性能的影響，以及如何優(yōu)化。
摘要
在高頻電路設(shè)計(jì)中，可以采用多種不同的傳輸線(xiàn)技術(shù)來(lái)進(jìn)行信號(hào)的傳輸，如常見(jiàn)的同軸線(xiàn)、微帶線(xiàn)、帶狀線(xiàn)和波導(dǎo)等。而對(duì)于PCB平面電路，微帶線(xiàn)、帶狀線(xiàn)、共面波導(dǎo)（CPW），及介質(zhì)集成波導(dǎo)（SIW）等是常用的傳輸線(xiàn)技術(shù)。但由于這幾種PCB平面?zhèn)鬏斁€(xiàn)的結(jié)構(gòu)不同，導(dǎo)致其在信號(hào)傳輸時(shí)的場(chǎng)分布也各不相同，從而在PCB材料選擇、設(shè)計(jì)和應(yīng)用，特別是毫米波電路時(shí)表現(xiàn)出不同的電路性能。本文將以毫米波下通用的PCB平面?zhèn)鬏斁€(xiàn)技術(shù)展開(kāi)，討論電路材料、設(shè)計(jì)等對(duì)毫米波電路性能的影響，以及如何優(yōu)化。
一、設(shè)計(jì)傳輸線(xiàn)在毫米波電路中的影響
1. 引言
幾年前，毫米波電路還僅僅用于航天、衛(wèi)星通信、通信回傳等特殊專(zhuān)有的領(lǐng)域。然而，隨著無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)更高的數(shù)據(jù)傳輸速率、更小的傳輸延遲、更寬的帶寬等需求促使毫米波頻段逐漸被用在移動(dòng)通信覆蓋例如，802.11ad WiGig，5G等領(lǐng)域；隨著主動(dòng)安全駕駛和未來(lái)無(wú)人駕駛技術(shù)的發(fā)展，汽車(chē)對(duì)測(cè)距測(cè)速的要求越來(lái)越高，毫米波也被使用在如77GHz的汽車(chē)?yán)走_(dá)領(lǐng)域。但是，對(duì)于設(shè)計(jì)工程師來(lái)說(shuō)，毫米波電路的設(shè)計(jì)與低頻段射頻電路設(shè)計(jì)存在著顯著的不同。毫米波頻段下不同傳輸線(xiàn)技術(shù)的色散輻射或高次模、阻抗匹配、信號(hào)的饋入技術(shù)等都將直接影響電路最終的性能。
2. 常用傳輸線(xiàn)技術(shù)
如圖1中場(chǎng)力線(xiàn)分布，微帶線(xiàn)與GCPW的信號(hào)傳播方向上并不存在場(chǎng)分量。但由于這兩種傳輸線(xiàn)的電、磁場(chǎng)并不完全分分布于電介質(zhì)中，有少部分場(chǎng)力線(xiàn)位于空氣中；導(dǎo)致信號(hào)在電介質(zhì)中與空氣中傳輸?shù)腡EM波的相速不同，其分界面并不能完全實(shí)現(xiàn)相位匹配。因此這兩種傳輸線(xiàn)模式是準(zhǔn)TEM波模式。而帶狀線(xiàn)的場(chǎng)力線(xiàn)上下對(duì)稱(chēng)分布于中間層介質(zhì)中，因此帶狀線(xiàn)的傳輸模式是TEM波模式。
圖1 微帶線(xiàn)，接地共面波導(dǎo)及帶狀線(xiàn)結(jié)構(gòu)與場(chǎng)分布
SIW (Substrate integrated waveguide) 是近年來(lái)討論較多，介于微帶與介質(zhì)填充波導(dǎo)之間的一種新型傳輸線(xiàn)。SIW兼顧傳統(tǒng)波導(dǎo)和微帶傳輸線(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)高性能微波/毫米波的平面電路。其結(jié)構(gòu)如圖2所示，SIW由上下兩層金屬、左右兩排金屬通孔、以及中間填充的介質(zhì)構(gòu)成。其將傳統(tǒng)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)集成在介質(zhì)基片中，實(shí)際上是一種介質(zhì)填充的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。SIW 中的電磁波被限制在上下金屬層和兩排金屬孔之間的區(qū)域傳播。由于電流的分布情況，在SIW中只能傳播TEn0波而不能傳播TM 或TEmn(n≠0)波，與矩形波導(dǎo)相似，SIW 傳輸?shù)闹髂Ｊ荰E10模。
圖2 SIW的結(jié)構(gòu)與場(chǎng)分布
幾種PCB平面?zhèn)鬏斁€(xiàn)技術(shù)有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。例如SIW傳輸線(xiàn)，它具有如可應(yīng)用于超高頻段、輻射低、損耗低等優(yōu)點(diǎn)，但由于其設(shè)計(jì)難度大、加工困難、不易與其他元件集成等缺點(diǎn)，使其相對(duì)于其他幾種傳輸線(xiàn)來(lái)說(shuō)并不被廣泛應(yīng)用。
3. 輻射損耗
對(duì)于PCB傳輸線(xiàn)電路，插入損耗主要包括介質(zhì)損耗、導(dǎo)體損耗、輻射損耗和泄露損耗幾個(gè)部分，是各種損耗成分的總和。泄漏損耗通常是由于信號(hào)與地之間形成了泄漏電流而導(dǎo)致的能量的損失。由于高頻PCB材料具有較大的體電阻，泄露損耗很小，一般可以忽略。電路的導(dǎo)體損耗是傳輸線(xiàn)上信號(hào)路徑的能量損失，是由導(dǎo)體自身的阻抗引起。介質(zhì)損耗則是由構(gòu)成電路的電路材料的耗散因子所決定，選擇相對(duì)較小的損耗因子材料有利于電路總的插入損耗的減小。
對(duì)于中低頻段電路，電路的插入損耗主要由導(dǎo)體損耗和介質(zhì)損耗有決定。而隨著電路所應(yīng)用的頻率的不斷升高，信號(hào)波長(zhǎng)變短，特別是在毫米波頻段，傳輸線(xiàn)的非閉合結(jié)構(gòu)，以及傳輸線(xiàn)的橫截面積與線(xiàn)寬等保持不變而使電路的輻射損耗就變得不可忽略。微帶傳輸線(xiàn)盡管相對(duì)于上述其他三種在毫米波頻段更容易產(chǎn)生輻射損耗和雜散模，但由于微帶線(xiàn)具有的加工容易、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、物理尺寸小、易于集成等諸多優(yōu)點(diǎn)使得其仍然用于毫米波電路。那么在毫米波頻段使用微帶線(xiàn)時(shí)需要如何進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)呢？
圖3 同種材料不同厚度下微帶線(xiàn)的損耗
電路材料厚度的降低對(duì)輻射損耗的減小，也可以看作是減小了電路中寄生雜散模式的產(chǎn)生。電路中所傳輸?shù)男盘?hào)往往包含多個(gè)頻率分量。由微波電路理論知道，當(dāng)電路的厚度或?qū)挾却笥趥鬏斝盘?hào)的1/8波長(zhǎng)時(shí)，電路將產(chǎn)生雜散模。如圖4所示，當(dāng)使用的電路材料較厚，設(shè)計(jì)同一阻抗如50Ω線(xiàn)路也會(huì)較寬，如果這一厚度或?qū)挾扰c所傳輸信號(hào)中的波長(zhǎng)相比擬時(shí)，電路的性能就將被惡化。以16.6mil RO4350BTM材料設(shè)計(jì)的50Ω微帶線(xiàn)為例，此時(shí)微帶線(xiàn)的寬度是36mil。這一寬度對(duì)應(yīng)的1/4波長(zhǎng)的頻率是46.5GHz，而對(duì)應(yīng)的1/8波長(zhǎng)的頻率是23.8GHz。因此這一電路在高頻段如46.5GHz時(shí)性能較差，而在小于23.8GHz時(shí)的波動(dòng)較小、性能較好。
圖4 電路的波長(zhǎng)與雜散模
4. 信號(hào)饋入的優(yōu)化
毫米波頻段傳輸線(xiàn)的良好線(xiàn)路設(shè)計(jì)和選材可使電路的性能得到優(yōu)化，但要實(shí)現(xiàn)更好的性能，傳輸線(xiàn)的信號(hào)饋入設(shè)計(jì)也是非常重要的一個(gè)方面。信號(hào)饋入設(shè)計(jì)屬于電路匹配設(shè)計(jì)的范疇，良好的饋入設(shè)計(jì)可使信號(hào)能量無(wú)損耗和無(wú)反射的流入電路中，進(jìn)一步提升的電路性能。
4.1 微帶線(xiàn)的信號(hào)饋入
微帶線(xiàn)和GCPW的信號(hào)導(dǎo)體均在電路表層，它們的信號(hào)饋入示意圖如圖5所示。當(dāng)連接器的中心導(dǎo)體PIN與信號(hào)導(dǎo)體完全連接時(shí)，增加了信號(hào)饋入點(diǎn)出的電容性。由傳輸線(xiàn)理論可以知道，微帶線(xiàn)的特性阻抗與電路的感抗成正相關(guān)，與容抗呈反相關(guān)。電路中電容性的增加會(huì)使線(xiàn)路的阻抗降低，而電容性的減小（電感性增加）會(huì)使線(xiàn)路的阻抗增加。當(dāng)饋入點(diǎn)處呈現(xiàn)較大的電容性時(shí)，可以通過(guò)減小饋入點(diǎn)處線(xiàn)路面積來(lái)減小電容，使其滿(mǎn)足50Ω的完全匹配；同樣，當(dāng)饋入點(diǎn)處呈現(xiàn)電感時(shí)，通過(guò)增大饋入點(diǎn)處的面積來(lái)增大電容。梯形線(xiàn)或漸變線(xiàn)是常用的增大或減小電容的方式，GCPW的信號(hào)饋入也可以相同方式優(yōu)化。
圖5 微帶線(xiàn)/GCPW信號(hào)饋入示意圖
選取了Rogers的熱固性材料為例，制作電路進(jìn)行性能對(duì)比的實(shí)驗(yàn)，如圖6所示。左圖是沒(méi)有進(jìn)行優(yōu)化之前的電路，其饋入點(diǎn)處阻抗遠(yuǎn)大于50Ω，呈現(xiàn)較大的電感性而處于失配狀態(tài)；此時(shí)電路的帶寬窄，回波損耗在6.8GHz處已達(dá)到-15dB；電路的插入損耗值也從6.8GHz開(kāi)始出現(xiàn)較大的波動(dòng)。而右圖是采用漸變線(xiàn)進(jìn)行優(yōu)化后的電路，其饋入點(diǎn)處的阻抗基本與50Ω相接近。此時(shí)電路的帶寬拓展至30GHz附近，而且其插入損耗也基本保持穩(wěn)定。因此正確處理電路饋入點(diǎn)電感性或電容性的設(shè)計(jì)，可以使微帶電路的性能得到了優(yōu)化。
圖6 微帶線(xiàn)信號(hào)饋入優(yōu)化對(duì)比
4.2 GCPW的優(yōu)化設(shè)計(jì)
GCPW的信號(hào)饋入的優(yōu)化設(shè)計(jì)與微帶線(xiàn)基本相同。但由于GCPW的結(jié)構(gòu)與微帶線(xiàn)結(jié)構(gòu)不同，GCPW兩側(cè)地平面過(guò)孔位置對(duì)其性能也存在顯著影響。選取Rogers的RO4350BTM材料設(shè)計(jì)不同GCPW傳輸線(xiàn)，如圖7所示。電路均采用相同的信號(hào)饋入設(shè)計(jì)，不同之處在于接地過(guò)孔的位置與間隔。從實(shí)際電路的測(cè)試看到，三個(gè)不同電路饋入點(diǎn)阻抗測(cè)試基本一致，具有較好的饋入點(diǎn)設(shè)計(jì)。
圖7不同接地過(guò)孔位置的GCPW性能比較
4.3 帶狀線(xiàn)的信號(hào)饋入和優(yōu)化
帶狀線(xiàn)的信號(hào)饋入設(shè)計(jì)與微帶線(xiàn)和GCPW有所不同。因線(xiàn)路不在電路的表層，所以并不能使用表貼式而需要使用PIN針式連接器進(jìn)行連接。如圖8所示，信號(hào)的饋入需要通過(guò)PTH過(guò)孔來(lái)完成。其過(guò)孔的設(shè)計(jì)需要考慮過(guò)孔大小、孔內(nèi)銅厚、焊盤(pán)大小，孔與接地面之間的間距、以及過(guò)孔長(zhǎng)度等參數(shù)的帶來(lái)的影響。實(shí)驗(yàn)證明，增加過(guò)孔的大小、銅厚、焊盤(pán)大小以及過(guò)孔長(zhǎng)度均使過(guò)孔的電容性增加；而過(guò)孔與接地面之間間距增加將會(huì)減小過(guò)孔的電容性，增加電感性。帶狀線(xiàn)的信號(hào)饋入連接器通過(guò)PIN針連接過(guò)孔的內(nèi)壁，可以看著是過(guò)孔導(dǎo)體厚度增加，導(dǎo)致了過(guò)孔的電容性變大。在設(shè)計(jì)和加工中，可以通過(guò)背鉆來(lái)移除部分過(guò)孔內(nèi)部導(dǎo)體孔壁或增加接地間距的方式，達(dá)到減小電容性的目的。
圖8 帶狀線(xiàn)信號(hào)饋入示意圖
選取7.3mil RO4350B LoproTM材料與8mil RO4450FTM半固化片制作了50Ω帶狀線(xiàn)電路，并設(shè)計(jì)不同的信號(hào)饋入過(guò)孔來(lái)評(píng)估不同設(shè)計(jì)對(duì)電路性能的影響。比較兩個(gè)測(cè)試電路，它們具有相同的孔壁銅厚和孔與地接地間隔，而電路2比電路1有更大的過(guò)孔直徑和焊盤(pán)。為減小過(guò)孔的電容性，通過(guò)背鉆，移除了電路2中多余過(guò)孔長(zhǎng)度，使電路2比電路1能更好的與50Ω形成良好匹配，如圖9所示。對(duì)兩個(gè)電路進(jìn)行回波和插入損耗的測(cè)試得到，電路2就具有更寬帶的回波損耗和穩(wěn)定的插入損耗值。其中，電路1的帶寬僅有約12GHz，而電路2的帶寬能達(dá)到22GHz。按此思路，進(jìn)一步對(duì)信號(hào)饋入過(guò)孔完善，可提高電路的工作帶寬而應(yīng)用于更高頻率的毫米波電路中。
圖9 不同饋入信號(hào)過(guò)孔設(shè)計(jì)的帶狀線(xiàn)性能比較
5. 總結(jié)
綜上所述，為使應(yīng)用于高頻毫米波頻段的PCB平面?zhèn)鬏斁€(xiàn)技術(shù)達(dá)到最優(yōu)的電路性能，需要考慮PCB選材和設(shè)計(jì)等多個(gè)影響因素。在電路設(shè)計(jì)前的選材時(shí)，為控制電路色散或高次模的產(chǎn)生需要考慮較薄的PCB材料；為降低介質(zhì)損耗，應(yīng)選取較低的材料介質(zhì)損耗；為降低導(dǎo)體損耗，應(yīng)使用較光滑的銅箔等材料從而得到較好的電路傳輸性能。較窄的導(dǎo)體線(xiàn)寬容易增大加工難度、降低一致性，而不應(yīng)選用高介電常數(shù)材料。在電路設(shè)計(jì)過(guò)程中，合理選擇不同的傳輸線(xiàn)技術(shù)，以及良好的信號(hào)饋入設(shè)計(jì)可降低信號(hào)能量損失，減小信號(hào)反射，達(dá)到良好的饋入點(diǎn)匹配，從而進(jìn)一步提升傳輸線(xiàn)電路在毫米波頻段下的性能。
二、選擇PCB板在毫米波電路中的影響
毫米波雷達(dá)傳感器在眾多傳感器中具有全天候工作的獨(dú)特特點(diǎn)，使其在成為汽車(chē)主動(dòng)安全系統(tǒng)（ADAS）中的關(guān)鍵核心部件。毫米波雷達(dá)傳感器的性能受多個(gè)因素的影響，而PCB電路材料就是影響傳感器電路性能的關(guān)鍵因素之一。為確保毫米波傳感器具有較高的穩(wěn)定性和性能一致性，就需要考慮PCB電路材料中的諸多關(guān)鍵參數(shù)。本文就PCB電路材料中影響汽車(chē)毫米波雷達(dá)傳感器穩(wěn)定性和一致性的多個(gè)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了討論，分析了這些參數(shù)如何影響傳感器的性能，從而更好的選擇適合于汽車(chē)毫米波雷達(dá)的電路材料。
1. ADAS系統(tǒng)中的毫米波雷達(dá)
當(dāng)前，汽車(chē)自動(dòng)駕駛已成為全球業(yè)界的一個(gè)熱門(mén)話(huà)題。各大汽車(chē)制造商及其供應(yīng)商、科技巨頭公司等紛紛注目并摩拳擦掌進(jìn)入輔助及自動(dòng)駕駛汽車(chē)市場(chǎng)。各國(guó)政府也對(duì)自動(dòng)駕駛汽車(chē)陸續(xù)出臺(tái)了相應(yīng)的法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)，以促進(jìn)其快速健康發(fā)展。2017年7月，全新奧迪A8在巴塞羅那的首發(fā)，是全球首款具備了L3級(jí)自動(dòng)駕駛功能的量產(chǎn)車(chē)型。
圖1、全球汽車(chē)出貨量的自動(dòng)化程度趨勢(shì)
在自動(dòng)駕駛汽車(chē)的不斷發(fā)展過(guò)程中，汽車(chē)的安全性是一切發(fā)展的前提，是真正實(shí)現(xiàn)汽車(chē)自動(dòng)駕駛的關(guān)鍵。各種傳感器需要協(xié)同工作來(lái)實(shí)現(xiàn)車(chē)輛對(duì)周?chē)h(huán)境高精度低延時(shí)的監(jiān)控，而毫米波雷達(dá)憑借其可靠的表現(xiàn)(如應(yīng)對(duì)惡劣天氣條件)使能汽車(chē)先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)的各種功能。這些雷達(dá)傳感器幾乎是所有現(xiàn)在正在使用的汽車(chē)先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)技術(shù)的基礎(chǔ)。
汽車(chē)?yán)走_(dá)傳感器主要有短距離和中遠(yuǎn)距離雷達(dá)傳感器，它們的工作頻率分別是24GHz和77GHz/79GHz。24GHz雷達(dá)傳感器的探測(cè)距離約50m左右，距離相對(duì)較短，主要用于盲點(diǎn)監(jiān)測(cè)（BSD），變道輔助（LCA）等。77GHz雷達(dá)傳感器的的探測(cè)距離更長(zhǎng)，可達(dá)到160m到230m。相比于24GHz，77GHz雷達(dá)傳感器的頻率更高、波長(zhǎng)變短、系統(tǒng)帶寬更寬，從而提高了距離和速度測(cè)量的精度和準(zhǔn)確度，主要用于自動(dòng)緊急制動(dòng)（AEB）、汽車(chē)自適應(yīng)巡航控制（ACC）和前向防撞預(yù)警（FCW）等。77GHz汽車(chē)?yán)走_(dá)的應(yīng)用對(duì)應(yīng)于汽車(chē)自動(dòng)化程度的高級(jí)階段，隨著自動(dòng)駕駛汽車(chē)的發(fā)展，77GHz汽車(chē)?yán)走_(dá)傳感器的需求和應(yīng)用逐漸呈上升趨勢(shì)。
圖2、24GHz頻段與77GHz頻段汽車(chē)?yán)走_(dá)傳感器的趨勢(shì)
對(duì)于諸如工作在77GHz/79GHz頻段的毫米波汽車(chē)?yán)走_(dá)傳感器，由于其信號(hào)的波長(zhǎng)很短，其電路性能和一致性非常容易受到多方面因素的影響。如何考慮和減小這些因素帶來(lái)的影響，確保雷達(dá)傳感器的性能具有較好的一致性就變得非常重要。對(duì)雷達(dá)傳感器的PCB電路來(lái)講，就需要理解并考慮PCB電路材料的諸多參數(shù)以及PCB加工等帶來(lái)的對(duì)一致性的影響，從而更好的進(jìn)行電路材料的選擇和電路設(shè)計(jì)。
2. 電路材料的考慮
汽車(chē)?yán)走_(dá)傳感器在毫米波頻段的應(yīng)用，對(duì)于電路設(shè)計(jì)工程師來(lái)說(shuō)，如何選擇正確的PCB材料是設(shè)計(jì)電路一開(kāi)始就要面臨的挑戰(zhàn)。毫米波頻段下由于其波長(zhǎng)較小，電路極易容易發(fā)生色散和產(chǎn)生高次模，因此通常考慮選擇較薄的PCB電路材料；而電路材料的介電常數(shù)和損耗隨頻率的增加也變化非常明顯，因此需要選擇在高頻時(shí)具有穩(wěn)定介電常數(shù)和具有極低損耗的電路材料。而介電常數(shù)值的值的選擇不宜較大，較大的介電常數(shù)會(huì)使設(shè)計(jì)的導(dǎo)體線(xiàn)寬較窄，不但增加了電路的導(dǎo)體損耗，而且增加了加工難度。
圖3、普通介質(zhì)材料的Dk/Df隨頻率的變化特性
以上的幾個(gè)考慮因素僅僅是毫米波電路設(shè)計(jì)的開(kāi)始，這些因素的考慮可以使電路能夠具有較好的性能特性。然而要使成多個(gè)相同的電路都具有一致的和穩(wěn)定的電路性能，還需要考慮材料的其他多個(gè)因素。
2.1 介電常數(shù)一致性
介電常數(shù)（Dk）是電路材料最重要的參數(shù)之一，也是電路設(shè)計(jì)者的一個(gè)設(shè)計(jì)出發(fā)點(diǎn)。在汽車(chē)?yán)走_(dá)的陣列天線(xiàn)設(shè)計(jì)中，包括不同類(lèi)型傳輸線(xiàn)的電路結(jié)構(gòu)尺寸、不同傳輸線(xiàn)的相位差或時(shí)延，以及實(shí)現(xiàn)各單元天線(xiàn)間距控制等都是由材料的介電常數(shù)確定的。同一板內(nèi)的介電常數(shù)的變化會(huì)導(dǎo)致汽車(chē)?yán)走_(dá)特別是毫米波汽車(chē)?yán)走_(dá)的收發(fā)之間存在某一相位差，影響交通中對(duì)其他車(chē)輛或速度的檢測(cè)精度，造成對(duì)其定位產(chǎn)生偏差。同時(shí)，材料不同批次的介電常數(shù)的變化更會(huì)引起不同毫米波雷達(dá)系統(tǒng)存在差異，影響系統(tǒng)的一致性。
介電常數(shù)（Dk）通常可以分為材料介質(zhì)的Dk和實(shí)際電路所呈現(xiàn)的介電常數(shù)。通常我們把材料介質(zhì)的介電常數(shù)稱(chēng)為過(guò)程Dk，而實(shí)際電路所呈現(xiàn)的介電常數(shù)稱(chēng)之為設(shè)計(jì)Dk。選擇過(guò)程Dk容差控制較小的電路材料有利于減小系統(tǒng)性能的差異和變化。然而，對(duì)于系統(tǒng)的性能一致性，電路所呈現(xiàn)的總的介電常數(shù)（設(shè)計(jì)Dk）更應(yīng)該值得考慮。
2.2 銅箔粗糙度
眾所周知，材料所使用銅箔的表面粗糙度對(duì)會(huì)對(duì)電路的介電常數(shù)產(chǎn)生影響。由于銅箔表面粗糙度的存在，使得電磁波在電路中的傳播速度變慢，相對(duì)于非常光滑的銅箔表面，其形成了慢波效應(yīng)，從而使得電路所呈現(xiàn)的介電常數(shù)增加。越粗糙的銅箔表面使電路所呈現(xiàn)出的介電常數(shù)越大，而越光滑的銅箔表面的電路介電常數(shù)越小。同時(shí)，不同厚度的材料，即使選用相同銅箔，越薄的材料上銅箔表面粗糙度對(duì)電路介電常數(shù)的影響越大，而越厚的材料其影響越小。圖4就顯示了基于相同銅箔下的RO3003TM材料，不同材料厚度所呈現(xiàn)出的不同的電路介電常數(shù)（設(shè)計(jì)Dk）值。
圖4、相同銅箔材料不同厚度的電路介電常數(shù)（設(shè)計(jì)Dk）
大多數(shù)的PCB基材都會(huì)壓合幾種不同形式的銅箔，如標(biāo)準(zhǔn)電解銅（Electro Deposited copper），反轉(zhuǎn)銅（Reverse Treated copper）或壓延銅（Rolled copper）。標(biāo)準(zhǔn)ED銅是通過(guò)電解的方式，在鈦鼓上逐漸電解沉積成不同厚度的銅箔，通常與鈦鼓接觸面較為光滑，而電解液面較為粗糙。RT銅箔也屬于電解銅，只是將與鈦鼓面相接觸銅箔表面經(jīng)過(guò)處理后與基材壓合形成。壓延銅箔是通過(guò)輥軋機(jī)碾壓銅塊而得，連續(xù)的輥軸碾壓可以得到厚度一致性很好且表面光滑的銅箔。
由于現(xiàn)實(shí)的銅箔生產(chǎn)工藝，銅箔的表面粗糙度值不可能固定不變的，銅箔表面形態(tài)總是以不同的高低起伏展現(xiàn)，如圖5所示。因此對(duì)于任何銅箔類(lèi)型，銅箔的粗糙度都存在一定的變化范圍。對(duì)于射頻微波應(yīng)用，Rq或者RMS（均方根）值通常被認(rèn)為較合理的銅箔粗糙度表征方式。羅杰斯公司的RO3003TM材料是被廣泛應(yīng)用于77GHz汽車(chē)毫米波雷達(dá)的電路材料，對(duì)于RO3003TM材料的ED銅箔，其典型的銅箔表面粗糙度的RMS值是 2.0um，銅箔粗糙度變化的典型值約為0.25um。越光滑的銅箔其粗糙度變化的值也就越小。
圖5、銅箔表面形態(tài)圖及不同銅箔粗糙度容差
實(shí)際應(yīng)用中電路所呈現(xiàn)出的Dk值（設(shè)計(jì)Dk）不僅需要考慮材料過(guò)程Dk的變化，同時(shí)需要考慮銅箔粗糙度變化帶來(lái)的影響。而常常被大多數(shù)工程師所忽略的電路加工過(guò)程也會(huì)造成設(shè)計(jì)Dk的變化。通常，設(shè)計(jì)工程師為了更為準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)電路而想知道設(shè)計(jì)Dk值的變化大小，最好的方法就是選取多個(gè)不同批次材料，制作并測(cè)試多個(gè)相同電路來(lái)評(píng)估其變化。為了更好的說(shuō)明這種變化情況，仍然選取了5mil RO3003TM材料，其時(shí)間跨度達(dá)4年的多個(gè)批次制作成50Ω微帶線(xiàn)測(cè)試電路的設(shè)計(jì)Dk。從圖6可以看到，使用銅箔粗糙度RMS值為2.0um的ED銅箔的5mil RO3003TM材料，其在77GHz時(shí)電路的設(shè)計(jì)Dk的典型值是3.16，變化約0.126；而使用光滑的壓延銅的5mil RO3003TM材料在77GHz是電路的設(shè)計(jì)Dk典型值是3.055，變化約0.096。這也進(jìn)一步證實(shí)了，材料過(guò)程Dk的容差越小，所使用銅箔的表面越光滑，其最后成品電路的設(shè)計(jì)Dk值變化越小，電路性能一致性也越好。
圖6、厚度5mil RO3003TM材料不同銅箔下電路Dk值的變化
2.3 介電常數(shù)隨溫度變化（TCDk）
電路材料的介電常數(shù)會(huì)隨溫度變化而發(fā)生變化，這種隨溫度變化的參數(shù)有助于工程師了解電路材料可能會(huì)發(fā)生的性能上的改變。通常把材料介電常數(shù)隨溫度的變化定義為T(mén)CDk，其變化越小表示材料（在溫度上）性能越穩(wěn)定。理想電路材料的TCDk值，即使溫度發(fā)生變化也會(huì)保持固定的Dk值，其TCDk的值為0ppm/℃。然而，在現(xiàn)實(shí)世界中，Dk值是會(huì)隨著電路材料溫度的變化而變化的。只有TCDk值非常低的電路材料才能被認(rèn)為是具有隨溫度穩(wěn)定Dk的材料，通常TCDk的絕對(duì)值要小于50ppm/℃。當(dāng)某一應(yīng)用要求電路需要經(jīng)受較大的工作溫度范圍，并且需要始終保持穩(wěn)定的性能時(shí)---如汽車(chē)?yán)走_(dá)傳感器的應(yīng)用，它就需要始終保持精確的測(cè)量精度，且可能工作于不同的工作溫度下---材料的TCDk參數(shù)就是需要考慮的關(guān)鍵參數(shù)之一。
同一樹(shù)脂體系的兩種材料并不會(huì)具有相同的TCDk特性，例如，雖然PTFE是性能優(yōu)異、低損耗的高頻電路材料，但是基于PTFE的不同電路材料，它的TCDk特性可能就會(huì)有很大差異。一些基于PTFE的電路材料的Dk隨溫度的變化很大，TCDk值達(dá)200ppm/℃甚至更高。同時(shí)，一些基于PTFE的線(xiàn)路板材料可以提供接近理想狀態(tài)的TCDk特性。圖7比較了不同種類(lèi)的電路材料的TCDk曲線(xiàn)，明顯看到環(huán)氧樹(shù)脂體系材料具有非常差的TCDk性能；而某些基于特殊陶瓷填充的PTFE材料，就具有較好的TCDk性能。77GHz汽車(chē)毫米波雷達(dá)廣泛使用的RO3003TM材料的TCDk值是-3ppm/℃。
圖7、不同種類(lèi)材料的TCDk曲線(xiàn)
通過(guò)設(shè)計(jì)一組實(shí)驗(yàn)，比較了高TCDk材料與RO3003TM材料的不同TCDk值帶來(lái)的影響。測(cè)試基于設(shè)計(jì)的長(zhǎng)度不同的50Ω微帶線(xiàn)電路來(lái)觀察設(shè)計(jì)Dk和相位在不同溫度下的變化情況。測(cè)試結(jié)果如圖8所示，RO3003TM材料由于其具有非常小的TCDk值，在77GHz時(shí)其Dk和電路的相位角幾乎沒(méi)有任何變化。而高TCDk材料在77GHz時(shí)的Dk變化達(dá)0.031，相位變化達(dá)到17度。當(dāng)使用高TCDk材料的毫米波汽車(chē)?yán)走_(dá)傳感器應(yīng)用在不同的溫度環(huán)境時(shí)，如此高的Dk和相位變化就會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)的一致性。
圖8、實(shí)際電路中RO3003TM材料與高TCDk材料的性能比較
2.4 材料的吸濕性
汽車(chē)?yán)走_(dá)傳感器相對(duì)于其他類(lèi)型傳感器的優(yōu)勢(shì)在于可以全天候工作在各種惡劣天氣條件下。因此環(huán)境的變化不僅僅是溫度的變化，還可能工作在不同的濕度環(huán)境中。設(shè)計(jì)工程師在選擇電路材料時(shí)常常忽略了材料的吸濕性，而事實(shí)上材料的吸濕性對(duì)于電路的性能和系統(tǒng)的一致性也是至關(guān)重要的。材料較低的吸濕性可以減小電路中介電常數(shù)及損耗的變化，從而使電路保持幾乎相同的電路性能，確保雷達(dá)傳感器的定位不會(huì)出現(xiàn)偏差。
羅杰斯的RO3003TM材料能廣泛應(yīng)用于77GHz汽車(chē)毫米波雷達(dá)中，低的吸濕性也是其中的一個(gè)重要原因。這里同樣以5mil RO3003TM材料為例來(lái)比較材料吸濕性對(duì)于電路設(shè)計(jì)Dk和損耗的影響。在基于IPC-TM-650 2.6.2.1國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)測(cè)得的RO3003TM材料的吸濕率僅為0.04%，而所比較的另外一種材料的吸濕率是0.3%。通過(guò)長(zhǎng)度不同的50Ω微帶線(xiàn)的方式測(cè)試電路的介電常數(shù)Dk和損耗，可以看到RO3003TM材料在70GHz頻率下時(shí)的Dk和損耗分別僅變化0.005和0.13dB/inch；而具有0.3%高吸濕率的材料的電路Dk和損耗變化達(dá)到0.04和0.81dB/inch。如此高的Dk和損耗的變化自然會(huì)引起雷達(dá)傳感器性能的不一致性，在實(shí)際應(yīng)用中造成偏差。
圖9、實(shí)際50Ω微帶電路中RO3003TM材料與高吸水率材料的性能比較
2.5 玻璃布纖維效應(yīng)
在電路材料中通常會(huì)添加玻璃布來(lái)增加材料的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，這樣有助于提高材料的機(jī)械穩(wěn)定性。但是電路材料中的玻璃布會(huì)影響該材料的介電常數(shù)（Dk）隨著位置的變化。這種Dk的變化是由玻璃布特有的物理交織結(jié)構(gòu)造成的，發(fā)生在非常小的區(qū)域且以周期性的方式呈現(xiàn)。也就是說(shuō)，玻璃布中玻璃纖維編織形的交疊處及小的開(kāi)口空隙區(qū)域的Dk值會(huì)有不同，如圖10示例。通常，玻璃布或玻璃纖維的Dk約為6，而開(kāi)口空隙區(qū)域的Dk由材料樹(shù)脂體系的Dk值決定，比如3。當(dāng)存在兩束玻璃纖維相互交疊時(shí)，此時(shí)的Dk值最大；而開(kāi)口空隙區(qū)域沒(méi)有玻璃纖維的存在，此時(shí)的Dk最小；僅有單束玻璃纖維是Dk值居中。
圖10、玻璃布纖維相互交疊形成的不同Dk值
當(dāng)含有此類(lèi)玻璃布的材料僅應(yīng)用于較低頻率時(shí)，由于信號(hào)波長(zhǎng)較長(zhǎng)，幾乎對(duì)電路性能不會(huì)造成影響。而當(dāng)材料應(yīng)用于高頻毫米波頻率時(shí)，電路性能就會(huì)受到一定的影響。以介電常數(shù)Dk為3.0、厚度5mil的電路材料為例，當(dāng)材料應(yīng)用于77GHz毫米波電路時(shí)，所設(shè)計(jì)的50歐姆微帶線(xiàn)的寬度是12mil。常見(jiàn)電路材料中大于12mil的玻璃布的交疊與空隙開(kāi)口是非常常見(jiàn)的。在實(shí)際電路中，如圖12左所示，當(dāng)微帶線(xiàn)分別處于玻璃纖維束或空隙上方時(shí)，由于Dk的不同此時(shí)同一設(shè)計(jì)的不同電路的阻抗就存在一定差異，從而影響電路的一致性；同樣，即使處于圖11右所示情況，Dk也存在周期的變化，導(dǎo)致同一微帶線(xiàn)電路的阻抗也會(huì)周期的變化，進(jìn)而影響電路的相位，影響系統(tǒng)的一致性。
圖11、線(xiàn)路經(jīng)過(guò)不同區(qū)域的Dk的變化
正因?yàn)椴ＡР紟?lái)的這種高頻的玻纖效應(yīng)，為了盡可能減小這種影響，在考慮應(yīng)用于如77GHz汽車(chē)毫米波雷達(dá)的材料時(shí)，應(yīng)選擇不含有玻璃布的電路材料。
3. 結(jié)論
自動(dòng)駕駛汽車(chē)將成為汽車(chē)行業(yè)未來(lái)發(fā)展的重點(diǎn)和方向，而毫米波雷達(dá)傳感器的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)使其成為自動(dòng)駕駛汽車(chē)不可缺少的部件，且有助于自動(dòng)駕駛汽車(chē)成為可能。PCB電路材料是毫米波雷達(dá)傳感器的基礎(chǔ)，選擇穩(wěn)定介電常數(shù)、低損耗特性的材料是設(shè)計(jì)毫米波雷達(dá)傳感器的出發(fā)點(diǎn)。然而為了使雷達(dá)傳感器具有穩(wěn)定一致的電路性能，材料所使用銅箔類(lèi)型及銅箔的表面粗糙度、介電常數(shù)隨溫度的變化、材料的吸濕性、以及材料是否含有玻璃布而帶來(lái)玻纖效應(yīng)等都需要考慮，從而確保傳感器對(duì)物體和速度的精確檢測(cè)和定位。
（來(lái)源：電子工程專(zhuān)輯，作者：羅杰斯公司 技術(shù)市場(chǎng)工程師 袁署光）
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