線路板材料參數(shù)如何影響毫米波雷達(dá)的性能

線路板材料參數(shù)如何影響毫米波雷達(dá)的性能？以下文章來源于羅杰斯先進(jìn)互聯(lián)解決方案，RogersCorp.毫米波（mmWave）頻率段能夠?yàn)樵S多應(yīng)用提供大帶寬。為了充分利用帶寬優(yōu)勢，當(dāng)前主流射頻電路的工作頻率要比傳統(tǒng)無線通信的工作頻率高得多，并且頻率范圍大多集中在24至77GHz范圍，甚至更高。典型應(yīng)用領(lǐng)域從“5G蜂窩無線通信網(wǎng)絡(luò)”到“高級駕駛輔助系統(tǒng)中的防撞雷達(dá)（ADAS）”。這些頻率曾經(jīng)一度是軍方專用，那時毫米波電路的研發(fā)成本和研發(fā)難度均讓民用領(lǐng)域望而止步。但隨著材料、電路等領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)的突破，成千上萬的毫米波應(yīng)用如雨后春筍般在77GHz汽車?yán)走_(dá)系統(tǒng)中普及，這些雷達(dá)和自動駕駛技術(shù)使得道路出行更加安全。為保證毫米波雷達(dá)系統(tǒng)的最優(yōu)工作狀態(tài)，如何選擇最適合的印刷電路板（PCB）材料就成為毫米波電路設(shè)計過程中最關(guān)鍵的一個步驟。對于大多數(shù)射頻電路工程師來說，工作于毫米波頻率下的電路存在太多的不確定因素，首先面臨的一個難題就是如何選擇適合的PCB線路板材料。但是，如果能充分了解各種線路板材料的指標(biāo)參數(shù)，并且知道這些參數(shù)會對毫米波電路產(chǎn)生哪些影響，那么就可以輕而易舉地尋找出適合77GHz（或其它毫米波頻率）的線路層壓板。簡而言之，材料性能的一致性比什么都重要。能夠在各種溫度、各種工作環(huán)境中不受時間影響，并且能長時間保持性能穩(wěn)定的低損耗、高性能線路板材料，就是設(shè)計毫米波電路的最佳材料。設(shè)計毫米波頻率下的PCB傳輸線，無論是微帶線、帶狀線還是接地共面波導(dǎo)（GCPW），其尺寸和特性都必須是十分精準(zhǔn)的。信號的波長隨著頻率的增加而減小，因此頻率越高，對傳輸線的精度要求也就越高。毫米波頻率下傳輸線的性能，將受到線路板材料性能的限制，如果PCB線路板材料上各個區(qū)域的性能無法保證一致性，那么就會導(dǎo)致其加工出來的傳輸線出現(xiàn)信號損耗、相位偏移、傳播延遲等諸多問題。對于那些對時序和信號相位十分敏感的雷達(dá)系統(tǒng)，延遲和相位失真會降低系統(tǒng)的最終性能。通過更詳細(xì)地了解線路板材料的指標(biāo)參數(shù)會對毫米波電路產(chǎn)生什么樣的影響，就可以更加方便地選擇適合各種不同類型毫米波電路（包括77GHz汽車?yán)走_(dá)系統(tǒng)和第五代（5G）蜂窩無線通信系統(tǒng)）的PCB材料。在篩選滿足電路設(shè)計要求的線路板材料時，工程師通常會先考慮自己比較熟悉的材料參數(shù)，如介電常數(shù)（Dk）和耗散因子（Df）等。其中，Dk是用于表征線路板材料電磁（EM）電荷存儲能力的指標(biāo)，而Df是用于表征線路板材料能量損耗的指標(biāo)。相對于其表面的金屬導(dǎo)體來說，PCB的電介質(zhì)材料可以認(rèn)為是絕緣體。并且電磁信號會沿著導(dǎo)體傳播，同時部分信號會進(jìn)入介質(zhì)材料中，另一部分信號會向周圍空間輻射。對于表面覆銅的線路板材料，較低的Dk值可以實(shí)現(xiàn)信號的較快傳播，同時信號也具有最低的延遲和最小的相位變化，這些特性對毫米波電路來說是非常重要的。Dk值通常用線路板材料的厚度方向或z軸方向的測量值來表征。其數(shù)值根據(jù)IPC（）等組織制定的，并且被行業(yè)公認(rèn)認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)來確定，通常會在某一個確定的頻率（例如10GHz）下來描述它。隨著頻率或溫度的變化，每種電路材料的Dk，ΔDk都會有一定程度的變化，這些變化都會對電路的性能產(chǎn)生影響。Dk值通常與線路板介質(zhì)層材料的成分（如PTFE）有關(guān)。但是，決定線路板性能的Dk值是一個復(fù)合值，它由介質(zhì)材料中使用的填料（如玻璃纖維增強(qiáng)材料）、材料厚度、甚至銅導(dǎo)體的質(zhì)量等多個因素共同確定。為了方便電路設(shè)計和計算機(jī)仿真建模，Dk的實(shí)際值要比其標(biāo)稱Dk值更重要，因?yàn)閷?shí)際Dk值不但決定了線路板上電路的尺寸，還會影響這些電路的性能，它通常被稱為“電路感知Dk值”或羅杰斯公司稱之為“設(shè)計Dk值”。電介質(zhì)對Dk的影響在設(shè)計適合于毫米波電路（例如77GHz汽車防撞雷達(dá)）的線路板材料時，Dk是眾多需要考慮的參數(shù)之一，Dk的變化應(yīng)最大可能地控制在接近其標(biāo)稱值的范圍內(nèi)。另外，能影響毫米波電路性能的其它材料參數(shù)還包括：Df、材料厚度、銅導(dǎo)體質(zhì)量、吸濕性以及玻璃纖維增強(qiáng)引起的“玻璃編織”效應(yīng)。再次需要強(qiáng)調(diào)的是，一致性是必不可少的，尤其是在毫米波頻率下，這些參數(shù)的劇烈變化也會影響毫米波頻率下的電路性能。這些不同的電路參數(shù)都會影響線路板材料的“設(shè)計Dk”值。為了確保對Dk的描述清晰且無歧義，這里的“有效Dk”是指信號在傳播過程中產(chǎn)生的總Dk值。對于微帶線來說“有效Dk”是指介質(zhì)中的Dk以及介質(zhì)周圍空氣中的Dk共同作用下的復(fù)合值?！霸O(shè)計Dk”是在“有效Dk”基礎(chǔ)上只考慮材料本身的Dk值，即消除了周圍的空氣對Dk的影響之后得到的值。使用羅杰斯公司厚度為5mil，表面銅箔為電解（ED）銅的RO3003?線路板材料加工而成的微帶線，在77GHz頻率下測試得到其“有效Dk”（包括空氣影響）值為2.54，其“設(shè)計Dk”值為3.16。對比幾個不同的Dk值，可以看到，原材料在厚度方向或z軸方向上的Dk值為3.00，這個值是在沒有電路因素影響的情況下，直接對原材料采用標(biāo)準(zhǔn)化測試得到的值?！霸牧螪k”代表了材料的特性，是介質(zhì)材料的固有Dk。然而，“有效Dk”和“設(shè)計Dk”是用于表征電路性質(zhì)的Dk。例如，材料的“設(shè)計Dk”（以電路形式測試得到的材料Dk）會隨材料厚度的變化而變化?！霸O(shè)計Dk”隨材料厚度變化的同時，通常還會受工作頻率的影響，Dk隨頻率增加會降低。因此，對于電路設(shè)計工程師來說，在利用計算機(jī)仿真軟件設(shè)計毫米波傳輸線時，Dk的這些變化會帶來一定的阻抗誤差。如果微帶電路采用了比較薄的線路層壓板，那么頂層的信號導(dǎo)體面和底層的接地面之間的距離必然會很小。相對于介質(zhì)原材料的Dk，線路層壓板越薄，用其加工出來的電路就越容易受到導(dǎo)體層的影響，在這種情況下，“有效Dk”和“設(shè)計Dk”值受導(dǎo)體層的影響更大。對于較薄基板上的傳輸線“設(shè)計Dk”值增加，其電容增加，同時阻抗會降低；反之，對于較厚的基板上的傳輸線“設(shè)計Dk”值減小，電容減小同時阻抗會增加。另外，使用較寬的傳輸線也可以間接達(dá)到增加電容的目的，但這會增加PCB上導(dǎo)體的面積。對于許多高頻應(yīng)用，包括77GHz雷達(dá)，傳輸線的阻抗在各個位置均要保持一致，這樣才能盡可能地減少信號反射。如果傳輸線偏離了50Ω特征阻抗，就會導(dǎo)致信號出現(xiàn)反射、損耗和相移。對于給定的Dk變化范圍，這些偏移在毫米波頻率下對相位產(chǎn)生的影響要比低頻頻率大得多，并且會成為毫米波頻率下雷達(dá)性能下降的主要原因。毫米波電路通常會使用比較薄的PCB材料，而且大多數(shù)情況下是同時包含模擬電路、數(shù)字電路和電源的多層電路。對于相同型號的材料，隨著厚度增加“有效Dk”和“設(shè)計Dk”的值將會減小。以羅杰斯公司的RO4350B?線路板材料為例，頻率為8-40GHz時，在6.6mil厚度下，材料厚度方向或z軸方向的Dk平均值為3.96；但在30mil厚度下，“設(shè)計Dk”值降為3.68（如圖1所示）?？梢钥吹?，隨著厚度的增加“設(shè)計Dk”會減?。划?dāng)材料厚度達(dá)到60mil時，“設(shè)計Dk”值會降低至3.66。當(dāng)然，“設(shè)計Dk”也不會因?yàn)楹穸瘸掷m(xù)增加而無限降低，當(dāng)厚度增加到一定程度時Dk值會趨于穩(wěn)定，這時候的“有效Dk”和“設(shè)計Dk”主要由線路板中的介質(zhì)材料來決定，表面導(dǎo)體對Dk的影響隨著材料厚度的增加可以忽略不計。圖1、不同厚度和銅導(dǎo)體粗糙度對介電常數(shù)的影響為了進(jìn)一步說明材料厚度對電路設(shè)計的影響，采用另一種線路板材料進(jìn)行同樣的實(shí)驗(yàn)。選擇羅杰斯公司的RO3003線路板材料，分別采用5mil，10mil和20mil三個不同的厚度，材料具有相同類型表面銅箔（?盎司的ED銅），基于50Ω微帶傳輸線的差分相位法，進(jìn)行“設(shè)計Dk”值的測試。在50GHz頻率范圍內(nèi)，測試結(jié)果表明，“設(shè)計Dk”會隨線路板厚度變化而變化（具體如圖2所示）。圖2、以RO3003?層壓板為例，材料厚度對設(shè)計Dk值的影響銅箔對Dk的影響線路板材料的所有組成元素都會影響“設(shè)計Dk”，所以要全面考慮所有構(gòu)成線路板元素的指標(biāo)參數(shù)。例如：銅導(dǎo)體的質(zhì)量可能會影響電路在毫米波頻率下的性能。高質(zhì)量的銅導(dǎo)體可以為傳輸線提供高導(dǎo)電性和高一致性的阻抗，這些特性是保障信號在毫米波頻率下維持相位穩(wěn)定的關(guān)鍵因素，例如應(yīng)用在77GHz汽車?yán)走_(dá)中。線路板材料的銅箔表面粗糙度會在一定程度上影響毫米波電路的性能。通過表面粗糙銅箔加工出來的傳輸線，其表面電磁波的傳播速度要慢于采用同類型銅箔但表面更光滑的傳輸線。這里所謂的銅表面粗糙度是指：在基板與銅箔接觸的這個平面上銅的粗糙度。較慢的電磁波傳播速度等效于線路板材料具有較高的Dk。為了進(jìn)一步說明銅箔表面粗糙度的差異是如何影響毫米波電路性能的，將4mil厚的液晶聚合物（LCP）作為電介質(zhì)，與不同的銅導(dǎo)體組合在一起。銅導(dǎo)體由不同類型的ED銅組成，每種ED銅具有不同的表面粗糙度。表面粗糙度采用均方根（RMS）值來衡量，組合的銅導(dǎo)體RMS值分別為0.5、0.7、1.5和3.0μm。為了評估不同銅導(dǎo)體對材料Dk的影響，在上述四種不同粗糙度的LCP基板上加工出50Ω微帶傳輸線，使用微波/毫米波矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA），在8到50GHz頻段內(nèi)進(jìn)行測試。結(jié)果表明“有效Dk”值會根據(jù)銅導(dǎo)體的類型而變化，但各自在整個頻率范圍內(nèi)幾乎保持恒定（如圖3所示）。圖3、線路板材料的有效Dk隨著銅導(dǎo)體類型及表面粗糙度而變化正如測量結(jié)果所示，使用不同類型銅導(dǎo)體的相同PCB材料會產(chǎn)生不同的“有效Dk”值。在采用完全相同的介質(zhì)材料情況下，使用粗糙銅箔表面材料的電路比光滑銅箔表面電路具有更高的“有效Dk”值。而且可以看到，具有更高有效Dk電路的“慢波效益”在更高頻率下影響會更大一些。另外，銅箔表面粗糙度也會影響導(dǎo)體損耗，特別是在毫米波頻率下，粗糙的銅導(dǎo)體表面會導(dǎo)致更高的導(dǎo)體損耗。為了驗(yàn)證這個結(jié)論，用同樣5mil厚的RO3003層壓板，分別采用ED銅和壓延銅進(jìn)行測試，其中ED銅的RMS表面粗糙度為2.0μm，而壓延銅的RMS表面粗糙度為0.35μm。實(shí)驗(yàn)測量了50Ω微帶傳輸線從直流到110GHz的插入損耗，用于比較不同銅導(dǎo)體的損耗特性。銅表面粗糙度（增加）對導(dǎo)體損耗、插入損耗的影響是顯而易見的（如圖4所示）。線路板材料的厚度也會對銅表面粗糙造成的損耗產(chǎn)生影響，材料越薄受銅箔粗糙的影響就越大。圖4、不同的銅導(dǎo)體類型會影響電路的損耗性能如何保持Dk穩(wěn)定工作于77GHz的車載雷達(dá)能夠檢測到反射信號相位的微小差異，線路板材料“設(shè)計Dk”的任何變化都會影響到相位狀態(tài)，從而降低系統(tǒng)的探測精度。理想情況是希望線路板材料的Dk值在任何條件下都不要發(fā)生變化。但實(shí)際情況是材料的“設(shè)計Dk”會隨頻率、溫度、厚度等多種因素的影響而發(fā)生改變。只有將本征電路材料Dk值的最大公差控制在±0.05的范圍內(nèi)，才能保證相位的波動不會對系統(tǒng)的高精度和高可靠性產(chǎn)生影響。為了監(jiān)測線路板材料Dk隨溫度變化的情況，定義介電常數(shù)溫度系數(shù)（TCDk）為：一定溫度范圍內(nèi)、溫度每升高1℃時介電常數(shù)的相對平均變化率。這個參數(shù)對工作在溫度差較大的應(yīng)用（例如77GHz雷達(dá)）來說非常重要。任何應(yīng)用于毫米波電路的線路板材料，都應(yīng)該具有較低的TCDk值，這樣才能最大程度地減小因Dk變化給電路性能（如相移）帶來的影響。一些基于PTFE樹脂體系的線路板材料，在室溫（25°C左右）環(huán)境中，其Dk值會因溫度變化而發(fā)生陡變。對于大多數(shù)應(yīng)用來說，TCDk能控制在0±25ppm/°C的范圍內(nèi)就認(rèn)為是比較適合的。以RO3003線路板材料來舉例，當(dāng)溫度從-50變化到150°C時，其10GHz頻率下z軸方向的TCDk僅為-3ppm/°C。TCDk越小也就意味著Dk隨溫度的變化也越?。ㄈ鐖D5所示），這對于毫米波頻率應(yīng)用，以及那些需要在較大溫度范圍內(nèi)保持性能穩(wěn)定的電路來說至關(guān)重要。圖5、線路板材料隨溫度變化會導(dǎo)致設(shè)計Dk和相角的變化在毫米波頻率下，線路板材料的其它材料參數(shù)，如：介質(zhì)損耗（Df）、吸濕率、玻璃編織效應(yīng)等任意一個參數(shù)都會影響材料的“設(shè)計Dk”值。與Dk一樣，材料的Df也會受溫度的影響，將其定義為：損耗因子熱穩(wěn)定系數(shù)（TCDf），顧名思義它也會隨著溫度的變化對電路設(shè)計產(chǎn)生影響。而吸濕率是指線路板材料吸收外界水份的總重量，它以百分比為單位來衡量。在較高的頻率下該值越小越好，其典型值在0.1%至0.2%之間。羅杰斯RO3003層壓板的吸濕率為0.04%。由于毫米波頻率的波長很小，對于某些采用玻璃纖維加強(qiáng)的特殊PCB板材，其產(chǎn)生的“玻璃編織效應(yīng)”也會對電路性能造成影響，這些影響與玻璃纖維在線路板介質(zhì)中的分布方式有關(guān)。玻璃纖維布有兩種常見的編織方式，一種是“交織開放式編織”，這種編織方式玻璃纖維束之間會存在一些縫隙；另一種是“均勻開纖式編織”，玻璃纖維束扁平且中間沒有空隙。玻璃纖維被填充到整個材料中，其填充方式也有兩種，一種是“均勻填充”，這種情況x軸和y軸上的玻璃纖維密度是相同的；另一種是“非均勻填充”，玻璃纖維在這兩個軸上具有不同的密度。對于采用”交織形式編織”的玻璃纖維布，在沒有玻璃纖維的縫隙區(qū)域其Dk值較低，兩束玻璃纖維交叉形成的疊加區(qū)域其Dk值最高。當(dāng)信號波長小到與這些縫隙的尺寸相當(dāng)時，信號就會產(chǎn)生失真。對于77GHz的雷達(dá)，如果選用具有較強(qiáng)“玻璃編織效應(yīng)”的PCB材料，有可能會受到群延遲、傳播延遲和相位角變化的影響。為保證相位穩(wěn)定，應(yīng)該為77GHz的電路選擇采用“均勻開纖玻璃編織”作為填料的線路板材料，并且線路板材料的Dk變化要盡可能小。如果采用“交織開放玻璃編織”作為填料的線路板材料，在77GHz頻率下，Dk值大概會有0.09的變化，這會帶來大約100度的相角差。相角發(fā)生較大的變化，也就意味著這些材料的電路的群延遲和傳播延遲會產(chǎn)生較大的差異。理想情況下，采用不含玻璃纖維的材料，如RO3003或RO3003G2層壓板，就可以避免受到“玻璃纖維效應(yīng)”的影響。另外，選擇不同的傳輸線技術(shù)也可能會對毫米波電路（例如77GHz汽車?yán)走_(dá)）的性能產(chǎn)生影響。毫米波電路通常是多層混壓PCB的一部分，這些多層混壓還可能包含了數(shù)字電路、電源電路、甚至光電電路。毫米波電路通常使用微帶線或GCPW傳輸線技術(shù)，在PCB加工過程中，GCPW傳輸線更容易受到鍍銅厚度、導(dǎo)體蝕刻精度、最終鍍層表面處理等因素影響（如圖6所示）。雖然微帶線或者GCPW都可以用建模仿真來預(yù)期電路性能，但是在77GHz頻率下，GCPW的加工難度和受加工影響更大。圖6、傳輸線技術(shù)的選擇及其加工工藝對毫米波頻率下電路的性能影響為了評估不同線路板材料和銅導(dǎo)體類型對電路的影響，無論是使用全波電磁