如何完成从微波频率到毫米波频率的设计转变

目前，在汽车和5G蜂窝无线通信网络中，带宽的使用无处不在。通常定义的毫米波频段是30GHz到300 GHZ的频率范围，但是在车载毫米波雷达系统中从24 GHz就开始了。所以许多微波电路设计人员都面临着提高频率并研发毫米波印刷电路板（PCB）的任务。他们需要设计并加工出毫米波频率的小波长所需的更精细电路特征，实现微波频率到毫米波频率的转变。频率较高的电路设计需要谨慎选择适合毫米波频率和电路加工工艺且支持较高频率的电路材料。本文章的第一部分将探索适合毫米波频率的电路材料特性。第二部分将解释说明能帮助电路在毫米波频率下发挥最好性能的高频结构和加工工艺。

毫米波PCB曾经被视为是深奥难懂的，或者至少被视为仅用作军用/航空航天应用。6GHz以下的大量无线通信用户和产生的大量数据使低频频段拥堵，促使人们对更高频率的使用产生浓厚兴趣。虽然前四代蜂窝无线通信网络能够在低频率下可靠运行，但是第五代（5G）正在探索毫米波频率，以便为高速、短距离数据链路获得更高有效带宽。除了个人无线通信以外，5G网络还能支持无数传感器、识别、监控和监测装置。此外，包括汽车制造商依赖高级驾驶辅助系统（ADAS）设备，也正在使用毫米波频率来设计短程雷达。因此，对毫米波电路的需求日益增加，也相应对可靠电路材料的需求也日益增多。

材料性能

在从微波频率向毫米波频率转变的过程中，电路设计人员会面临很多变化。随着频率的增加，波长不断缩短，因此需要更精密的电路结构。而且，毫米波频率下的信号功率通常比微波频率下的信号功率低，因此减少电路功率损失是电路设计的一个重要目标。在不考虑电路结构类型的情况下，例如毫米波频率下的微带线、带状线、基板集成波导（SIW）或接地共面波导（GCPW），对于向更高频率转变的电路和应用，应考虑毫米波电路材料是否有最佳基本性能，例如介电常数（Dk）和损耗因子（Df）。电路材料的Dk与材料的复介电常数的实数部分有关，而电路材料的Df或损耗角正切与材料的复介电常数的虚数部分有关。这些参数以及电路材料的其它基本性能有助于我们深刻理解电路层压板材料在毫米波频率下如何表现。

例如，汽车雷达系统等许多应用在毫米波频率（例如77GHz）下需要一致、稳定的信号相位。一种非常适合毫米波电路的材料是不会对电路的相位响应或信号通过金属导体传播的方式产生任何影响。为了保证毫米波频率下的这种性能，电路材料的Dk值仅允许有极小的变动。若可以准确测量，则即使是很小的Dk偏差也可能造成毫米波传输线上的信号传播和相位变动。

电路的介电常数通常可以在被测电路材料上加工制作一个参考电路，并测量不同长度的传输线在不同测试频率下的相位，依此确定电路材料的Dk。传输线的测试频率和相位长度与Dk值对应，而Dk值与介质材料和厚度以及层压板金属的实测厚度有关。

对于小波长的毫米波信号，根据传输线形式，Dk值较低且稳定（3.0左右）的电路材料支持信号相位仅有微小变动更多高频电路的应用。保持材料中Dk的稳定性，可以减少信号相位的变动。而且，电路材料的Dk变化对毫米波频率下电路的影响程度还与电路和传输线的类型相关。一些电路形式非常适合标准电路加工工艺，但是可能不支持毫米波所需的所有电路特征。从微波低频电路向毫米波高频电路转变设计过程中，为了取得最佳效果，也意味着对电路层压板以及传输线技术的选择。

另一个需要考虑的电路材料的基本属性是Df或损耗角正切，通常也称为“损耗”。低Df值通常与低Dk值相关。与Dk一样，毫米波电路更青睐低Df电路材料。相似地，电路材料的Df变化是频率的函数，随着频率的增加而增加，从而影响电路的振幅响应。对于毫米波频率下的所有电路，如前所述，电路传输线技术的选择应是电路材料选择的一部分，因为某些传输线技术受Dk和Df变化的影响较小。但是，一些传输线技术（本博客第二部分将会阐述）更适合兼容一些加工带来的变化，而这些加工的变化即使在最优的电路层压板上加工毫米波电路也可能无法避免的。

其它的一些电路材料性能也有助于进一步帮助确定用于毫米波电路的电路层压板。如层压板上的铜箔和介质交界处的铜箔表面粗糙度会限制毫米波电路的性能。电路损耗和信号相位变化取决于工作频率和传输线类型。对于微带线（图1）来说，铜箔越光滑越好，因为铜箔表面较粗糙的电路与具有相同介质材料、厚度但是铜箔表面较光滑的层压板相比，导体（插入）损耗和相位变化会增加。电路材料越薄，铜箔表面粗糙度的影响越大（图2）。介质材料厚度增加可以降低该影响，但是对于大部分微带线电路而言，这种做法会增加电路对介质损耗的敏感度。

图1、电路的横断面的介质材料交界面处的铜箔表面粗糙度

图2、铜箔表面粗糙度对电路损耗的影响，使用相同的罗杰斯公司的5mil RO3003™介质材料

铜箔导体表面粗糙度会影响毫米波电路特性，尤其是频率越高影响越大，这是由于电磁（EW）波的趋肤深度随着频率的增加而减少的原因。当电磁波的趋肤深度接近或低于铜导体表面粗糙度量级时，幅度和相位的恶化程度最大。这种情况一般在毫米波频率下发生。电路材料可以使用不同类型的铜箔，每种铜箔类型都有自己的表面粗糙度值。高轮廓铜箔最为粗糙，对毫米波电路损耗和相位性能的影响最大。而压延铜最为光滑，它的影响也最小。在之间，反转处理铜箔（RT）和电解铜箔（ED）之间的表面粗糙度处于中间值，对损耗和相位的响应影响也处于中间值。

对于同一种材料而言，较粗糙的铜箔表面会使电路产生一个较高的有效Dk值，或电路“看到”的Dk值，如某种设计的较厚铜（例如GCPW）一样。较高的有效Dk值会减慢电磁波的传播速度，造成毫米波电路的相位变化。因此，当基于具有特定实际或“设计”Dk值的电路材料进行设计时，应考虑层压板的铜箔表面粗糙度和厚度。因为铜箔厚度、铜箔表面粗糙度等的变化可能造成不必要的电路性能变化，特别是在毫米波频段下。与较薄的电路相比，介质材料较厚的电路受铜箔影响较小。

下一篇文章（PCB选择及从微波向毫米波频段设计过渡的考虑），即作为微波电路向毫米波电路转变的研究的第二部分，将评述毫米波电路使用的一些传输线技术以及它们在加工工艺方面的性能对比。电路材料和传输线技术的巧妙选择能够产生实用的高性能毫米波电路。

关于毫米波电路的电路材料和传输线技术选择的其它信息，本文章和它的第二部分是依据作者在2021年IEEE国际微波研讨会（IMS）线上会议上的报告MicroApps编纂的，即：“使用PCB技术实现微波向毫米波转变的设计指导”，2021年IEEE IMS线上会议，2021年6月20日至25日。