针对毫米波应用的电路材料选择

2016-03-16 来源:微波射频网作者:罗杰斯公司 John Coonrod 我要评论(0) 字号:

对于通信设备或其他等一些应用,毫米波频段非常具有吸引力,因为从30GHz到300GHz范围内有非常宽的可用频带资源。但是寻找此频段内性能卓越且价格低廉的印刷电路板(PCB)材料是一个巨大挑战。然而,通过对毫米波频段PCB材料关键参数和特性的理解,如不同PCB材料对不同电路性能的影响等,找到适合于此频段内应用的PCB材料是完全可能的。

当进行微波电路设计时需要考虑很多的影响因素,这些因素通常会使电路设计变得困难或者给电路带来巨大的影响。这些因素包括抑制杂散模式传输、减小导体损耗和辐射损耗、实现有效的信号过渡,减小干扰谐振以及控制色散等。

微带传输线电路

图1a.微带传输线电路

接地共面波导传输线

图1b.接地共面波导传输线

设计指导

有许多设计方法可以减小波传输中的一些问题,比如使用非常薄的电路基材。一般情况下,使用的层压板厚度要小于电路最高工作频率的四分之一波长。然而实际应用中,为了减小电路板中不同电路之间的耦合谐振干扰,使用的电路基材厚度最好低于电路最高工作频率的八分之一波长。不仅电路的相互耦合或谐振会干扰主信号的传输,其产生的表面波也会影响主信号的传输。信号导体的宽度和电路层压板的厚度有关,层压板越薄,对应的导体宽度应越小。为了有效抑制杂散模式,导体宽度也应该不超过电路最高工作频率的八分之一波长。

上述层压板厚度和导体宽度设计方法可直接适用于高频微带线电路设计,其他类型的电路设计还需考虑更多因素。对于接地共面波导(GCPW),又称为金属底板共面波导(CPCBW),在毫米波频段越厚的电路层压板表现出有利于抑制杂散模式传输。

如图1a所示的微带线结构,微带传输线中的信号层和接地面之间存在一定的间隔(基材厚度)。如果该间隔为四分之一波长,两个铜箔平面间会产生谐振并干扰主信号传输。如果基材厚度为四分之一波长但铜导体宽度小于等于四分之一波长,谐振可能不会产生或者可以被忽略。如果基材厚度和铜导体宽度都大于等于四分之一波长,电路就很容易产生额外的谐振和杂散模式。图1b所示是接地共面波导结构。即使GCPW基材厚度和导体宽度等于四分之一波长,由于共面接地的紧耦合结构,电路杂散谐振可以避免。共面接地面与信号导体邻近且通过电镀通孔(PTHs)实现与底层地面相连。当然,所有的高频电路结构的选择都会存在各方面因素的权衡,如GCPW电路的导体损耗就比微带线电路更高。然而,考虑到工作频率,由于GCPW电路具有比微带线电路更低的辐射损耗,因此总的插入损耗并不一定更高。

对于高频传输线及高频电路,插入损耗是诸多损耗成分的总和,包括介质损耗、导体损耗、辐射损耗和泄露损耗等。高频PCB材料一般具有较大的体电阻因此RF泄露损耗非常小。介质损耗与电路材料的损耗因子或tanδ相关。损耗也受其他附加材料的影响,例如防焊油墨或粘结片。由于防焊油墨是一种高损耗材料,其损耗因子为0.02,通常在RF/微波频段尤其是毫米波频段不使用防焊油墨。此外,防焊油墨对介电常数(Dk)的影响过程难以控制,使用防焊油墨会导致阻抗失配,进一步造成回波损耗和插入损耗的增加。

厚度变化

防焊油墨通常在不同电路之间甚至同一电路中存在厚度差异,这将导致电路无法预期的阻抗变化。而且防焊油墨通常具有高的吸水率,这会严重降低PCB电路的性能。水的介电常数Dk为70且具有比电路材料大得多的损耗因子,当电路吸收一定量的水分后,电路材料的Dk将变大,电路的损耗也将上升。因此,在毫米波频段尽量少用或者不用防焊油墨。

电路使用的基材越薄,特别是毫米波电路,导体损耗将变得越大,且随着频率升高导体损耗会显著增加。通常在PCB基材加工过程中,会对铜箔表面进行糙化处理以改善其和PCB介电材料的结合率。但粗糙的铜箔表面会导致更高的损耗。一般来说,当电路工作频率对应的趋肤深度小于或等于铜箔的表面粗糙度时,表面粗糙度的影响将变得非常显著。在毫米波频段,趋肤深度通常小于铜箔的表面粗糙度。

铜箔表面粗糙度具有多种测量方法和衡量单位。对于射频/微波应用,Rq或者均方根(RMS)测量是一种较为合适的粗糙度测量方法。表1a列出了高频PCB材料中常用的不同种类的铜箔粗糙度。表1b表明,在毫米波频段,趋肤深度甚至与最光滑的铜箔表面粗糙度相当。

从表1的数据可知,小于50GHz应用的电路设计者也许会觉得选用任何种类铜对电路的影响不大,因为所有铜箔类型的表面粗糙度都大于趋肤深度。这个结论存在一定的错误。因为越粗糙的表面所产生的寄生电感将越大,且粗糙表面会导致表面阻抗的变化和增加插入损耗。图2显示的研究结果表明了铜箔粗糙度对传播常数和插入损耗的影响。

 铜箔表面粗糙度
RMS(微米)
压延铜0.3
低粗糙度电解铜0.6
标准电解铜1.2
高粗糙度电解铜2.4

表1a.RF/微波电路中常用典型铜箔的表面粗糙度值

频率(GHz)信号在导体中的
趋肤深度(微米)
12.00
100.67
500.30
770.24
1100.20

表1.b 不同频率下信号趋肤深度

铜箔表面粗糙度对传输常数和插入损耗的影响示意图

图2. 铜箔表面粗糙度对传输常数和插入损耗的影响示意图

在相同材料上使用不同粗糙度铜箔的电路损耗对比

图3. 在相同材料上使用不同粗糙度铜箔的电路损耗对比

为了进一步比较铜箔粗糙度的影响,图3显示了在相同的材料上使用不同种类铜箔的电路插入损耗对比。所使用的罗杰斯标准RO4350B™层压板铜箔的平均粗糙度为2.5um RMS,而RO4350BLoPro™层压板铜箔的平均粗糙度为0.6 um RMS。尽管50GHz时曲线结果存在一定的噪声抖动,但是趋势很明显,越光滑的铜表面所对应的插入损耗越低。当然,两个材料的介质厚度存在细微差异(0.7 mils),但对于越薄的材料,导体损耗将占总损耗的主要部分。

电路最终的表面处理也会影响电路的导体损耗,尤其是在高频频段。通常,PCB表面处理中所用的许多金属的导电性都比铜差,附加表面处理工艺会导致导体损耗的增加。例如PCB中最常使用的化学镍金(ENIG)表面处理,由于镍的导电性比铜差,使用ENIG表面处理将不可避免地造成导体损耗的增加。典型的ENIG表面处理的金属导体叠层都是从材料的基铜开始,在铜上方沉积镍以防止铜的氧化,最后在镍的上方沉积金。从厚度上来看,金的生长是自限制过程且厚度一般为0.2um左右,而镍的厚度一般为5um左右。考虑到毫米波频段的趋肤深度,电流会完全覆盖镍层以及部分金层。随着频率的升高,镀金层也会完全被覆盖。但由于金的导电性仍比铜差,因此使用ENIG表面处理最终会导致电路导体损耗的增加。

图4显示了相同电路基材上使用裸铜和使用ENIG对电路插入损耗的影响。图4的结果解释了很多问题。使用ENIG表面处理的电路插入损耗比裸铜结构电路高。但在低频段,两种电路的插入损耗特性有所不同。这主要是因为镍层较厚,低频段电流因趋肤深度大部分分布在镍金属中,而在铜和金中的分布则很少。当频率上升到20GHz时,由于趋肤深度效应,电流在金中开始分布。随着频率的进一步上升,更多的金被使用,ENIG电路的插入损耗曲线变得和裸铜结构的损耗曲线平行。

使用相同材料的裸铜结构和ENIG表面处理微带传输线插入损耗对比

图4. 使用相同材料的裸铜结构和ENIG表面处理微带传输线插入损耗对比

纯银的电导率比纯铜的电导率更高,在PCB表面处理工艺中使用沉沉银工艺使用的实际上是银合金而非纯银。该合金近似为纯银,在导电性上接近于铜。沉银工艺是自限的,附加上的银也是薄薄的一层,厚度一般为0.2um。与金相比,银会被逐渐氧化而金不会。虽然银的氧化会使表面颜色发生变化,但这种氧化对电路插入损耗几乎没有影响。本文作者对存放2.5年沉银工艺发生氧化的电路的研究表明氧化未对电路插入损耗造成影响。值得说明的是图4的测试中信号过渡的问题。图4中的曲线数据是借助50GHz频率上限的商用矢量网络分析仪得到的。但由于信号的过渡问题导致35GHz以上存在噪声,因此图中的数据只测到35GHz,。如果使用更有效的信号过渡,在25GHz到50GHz甚至更高频范围内,图4中的ENIG插入损耗曲线和裸铜插入损耗曲线应该趋于平行。

如前所述,插入损耗有许多组成成分,了解这些成分对于毫米波电路的设计者是非常有帮助的。罗杰斯公司开发的MWI应用软件可以仿真插入损耗的各个组成成分,该程序可以从罗杰斯主页(www.rogerscorp.com)上下载。该程序是基于Hammerstad和Jenson提出的微带传输线阻抗和损耗特性描述方法。MWI软件也能预测微带线的辐射损耗,其计算基于Wadell的研究结果,测试表明软件预测值具有很高的准确度。

图5展示了使用MWI-2010仿真得到的两种不同厚度的电路的插入损耗及组成成分。在电路仿真模型中,导线的宽度保证传输线阻抗为50Ω,使用材料的Dk为3.66,铜厚为1 oz。如果忽略辐射损耗,介质损耗和导体损耗的对比非常明显。当频率低于15GHz时,在薄的10 mils电路中,导体损耗是总插入损耗的主要组成部分。而厚的30 mils电路中介质损耗高于导体损耗。在该频率范围内,电路设计者在铜箔(导体损耗)和损耗因子(介质损耗)一定的情况下选择材料需要考虑电路板的厚度。在图5所示的频率范围内,对于30 mils的电路,15GHz时辐射损耗尽管已非常显著,但不是插损的主要部分,

不同厚度相同电路材料的微带传输线插入损耗(总损耗)及各组成成分对比

图5.不同厚度相同电路材料的微带传输线插入损耗(总损耗)及各组成成分对比

辐射损耗

图5表明辐射损耗取决于工作频率和电路厚度。频率在15GHz以下,10 mils电路的辐射损耗并不明显忽略,而30 mils电路的辐射损耗非常显著。因此一般来说,使用薄的电路基材厚度可以降低辐射损耗。当频率上升到毫米波频段(大于30GHz)时,相比于薄的电路,厚的电路的辐射损耗是总损耗的主要部分。

辐射损耗除了和PCB材料的厚度有关,还和PCB材料的Dk值有关。电路材料的Dk值越大,电路的辐射损耗将越低,但这将给电路带来更高的导体损耗。此外,电路材料的Dk值越大,实现相同的阻抗值时信号导体的宽度将越窄。而信号导体越窄对应的导体损耗也将越高。

电路的设计也会影响辐射损耗,因为任何阻抗的失配通常都会伴随一定的能量辐射。在射频/微波电路中阻抗失配是很常见的,这和电路的具体设计密切相关。例如,带状线电路通常没有辐射损耗,而如图5中的微带线电路则易于产生辐射损耗,其辐射的程度与电路厚度及其他因素有关。当辐射损耗成为一个设计问题时,使用GCPW电路可以有效降低辐射损耗。该结论在50GHzGCPW电路及其他电路最优化信号过渡的研究中有详细阐述。

在毫米波高频频段,信号接口的良好过渡是保证电路性能的一个重要因素。信号过渡和辐射损耗是相关的,因为有效的信号过渡能使信号能量从一个传输模式有效过渡到另一个传输模式,这将使辐射损耗减小。例如,典型的RF连接器的工作模式为横电波模式(TE)而平面PCB的工作模式为横电磁波(TEM)模式。GCPW和微带线的工作模式为准TEM模式,而带状线的工作模式为标准TEM模式。当传输模式改变时,例如连接器和电路板的连接,任何的寄生电抗或阻抗失配都将导致电路产生辐射损耗。

毫米波高频电路的设计者应该时常联系高频材料的供应商以更好的理解不同高频电路材料的综合性能及适用于毫米波电路的不同PCB材料。许多电路基材可组合不同种类及不同粗糙度的铜以供使用。在单个产品系列中,从Dk和损耗因子角度来看,也存在许多不同的电路材料可供选用。高频电路材料供应商非常乐意同电路设计者紧密合作,一道实现对现有的和新型的微波/毫米波电路性能的优化。

作者:罗杰斯公司先进互连解决方案事业部市场技术经理 John Coonrod

参考文献

[1] Allen F. Horn, John W. Reynolds, and James C.Rautio, “Conductor Profile Effects on the PropagationConstant of Microstrip Transmission Lines,” IEEEMTT-S International Microwave Symposium, 2010.
[2] E. Hammerstad and O. Jenson, “Accurate modelsof microstrip computer aided design,” 1980 MTT-SInternational Microwave Symposium Digest, May 1980,pp. 407-409.
[3] Brian C. Wadell, “Transmission Line DesignHandbook,” Artech House, Norwood, MA, 1991, p. 99.
[4] Bill Rosas, “Optimizing Test Boards for 50 GHzEnd Launch Connectors: Grounded Coplanar Launchesand Through Lines on 30-mil RO4350B with Comparisonto Microstrip,” Southwest Microwave, Inc., Tempe, AZ,2007, www.southwestmicrowave.com.

(本文由英文翻译而来,如出现差异,请以英文为准)

本文刊登于微波射频网旗下《微波射频技术》杂志 2016微波技术专刊,未经允许谢绝转载。

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