結(jié)構(gòu)工程師博客,建筑設(shè)計結(jié)構(gòu)工程師

2017年在美國夏威夷檀香山舉辦的國際微波技術(shù)展上（IMS 2017），大部分的展臺產(chǎn)品都是關(guān)于毫米波器件和電路的。曾經(jīng)一度，30 GHz以上的頻率在民用領(lǐng)域是鳳毛麟角，而僅僅用于軍事或科學應(yīng)用。但隨著科技飛速發(fā)展，可用頻譜資源日益緊張。現(xiàn)在毫米波頻率已經(jīng)開始應(yīng)用于商用車載雷達，并在第五代（5G）無線通信網(wǎng)絡(luò)中為毫米波應(yīng)用做了大量規(guī)劃，以用于支持高速傳輸?shù)暮Ａ繑?shù)據(jù)。越來越多的設(shè)計工程師正面臨需要在77GHz及以上頻率研發(fā)設(shè)計毫米波電路。但是，首先，工程師們必須為這些高頻電路設(shè)計選擇合適的傳輸線技術(shù)，同時還需要選擇適合的線路板材料來保證這些電路的質(zhì)量，降低傳播信號的損耗。不久的將來，各地的駕駛員和手機用戶都將成為毫米波技術(shù)的使用者和受益者。

在微波頻率下，與帶狀線和共面波導(dǎo)（CPW）相比，微帶線依然是迄今為止最受歡迎的傳輸線技術(shù)。它使用頂部銅層形成信號平面和底層形成接地平面，結(jié)構(gòu)簡單，性價比相對較高，并能夠滿足不同結(jié)構(gòu)的表面安裝要求。

不幸的是，隨著信號頻率提高到毫米波范圍，微帶電路會表現(xiàn)出類似天線的屬性。信號會沿著傳播路徑向外發(fā)射電磁（EM）能量，從而導(dǎo)致比低頻高得多的輻射損耗。此時降低輻射損耗成為電路設(shè)計的一部分。微帶線的輻射損耗同時取決于電路所使用的基板材料的厚度和介電常數(shù)（Dk）。基于較薄的基板電路輻射損耗會更小。此外，基于較高Dk值的線路板材料的電路具有更小的輻射損耗。

在微帶線中，有效Dk是指介質(zhì)基板材料與空氣組合之后的Dk，因為微帶傳輸線中的EM波部分通過電介質(zhì)傳播，部分通過其上方的空氣傳播。與微帶線相比，帶狀線類似扁平的同軸電纜。它的中心導(dǎo)體由頂部和底部電介質(zhì)層所包圍，而電介質(zhì)層又由接地平面覆蓋。帶狀線的Dk與介質(zhì)材料的Dk相同，因為其傳播過程不涉及到空氣。

共面波導(dǎo)（CPW）電路有許多種不同結(jié)構(gòu)，包括標準的接地共面波導(dǎo)（GCPW）和導(dǎo)體襯底共面波導(dǎo)（CBCPW）。標準CPW在電介質(zhì)層的頂部（以平面波導(dǎo)的形式）放置金屬的平行導(dǎo)體，并在緊鄰中心導(dǎo)體的兩側(cè)制作出接地導(dǎo)體平面。GCPW增加了一個底部接地層，但是需要通過電介質(zhì)基板材料的金屬通孔（PTH）來連接頂部和底部接地層。頂層的額外接地平面有助于GCPW實現(xiàn)信號線之間的高隔離度，并減小寄生波傳播模式。PTH通孔的放置是至關(guān)重要的，其可以影響傳輸線的阻抗和損耗。

像微帶線一樣，由于EM波同時通過介質(zhì)基板材料以及導(dǎo)體周圍的空氣傳播，因此GCPW也具有有效介電常數(shù)。GCPW也可以實現(xiàn)組件的表面安裝，從而方便加工制造；相比之下帶狀線則需要用PTH通孔來實現(xiàn)外部電路組件與內(nèi)部信號層之間的連接。在毫米波頻段，GCPW具有比微帶線更低的色散，更小的輻射損耗，并且能夠支持比微帶線更高頻率的信號傳播。而且，GCPW能更有效地抑制寄生傳播，并且比微帶線更適合在毫米波頻率下完成實際信號過渡設(shè)計（例如波導(dǎo)、電纜或連接器）。

尋找正確的線路板材料

如果GCPW是應(yīng)用于毫米波電路的最佳傳輸線，它就應(yīng)該在具有最佳毫米波頻率特性的線路板材料上來加工。由于信號傳輸功率因電路損耗會隨著頻率的增加而降低，所以用于毫米波電路的最佳線路板材料應(yīng)該具有低損耗。毫米波傳輸線的插入損耗主要是由上述輻射損耗、導(dǎo)體損耗和介質(zhì)損耗引起。輻射損耗往往是由設(shè)計因素決定，而導(dǎo)體損耗和介電損耗將取決于線路板材料本身。

介電損耗是介電材料類型的函數(shù)，通常由材料的耗散因數(shù)（Df）來定義，較低的值表示較低的介質(zhì)損耗。能夠在毫米波頻率下具有一致性能的線路板材料其Dk也表現(xiàn)出最小的變化，使得介電損耗不會隨頻率劇烈變化。

在考慮用于毫米波電路應(yīng)用的線路板材料時，介電常數(shù)的溫度系數(shù)（TCDk）參數(shù)能夠可靠的洞察材料的DK和溫度穩(wěn)定性。TCDk參數(shù)可以用來評估特定線路板材料在毫米波頻率下的性能。其中較低的TCDk值表示Dk隨溫度變化較小，并且由于Dk隨溫度變化而導(dǎo)致的頻率相位響應(yīng)變化較小。

導(dǎo)體損耗在毫米波頻率下與多個變量相關(guān)，包括銅導(dǎo)體的表面粗糙度和導(dǎo)體表面處理的選擇。銅是一種優(yōu)良的導(dǎo)體，但是其表面粗糙度的增加會導(dǎo)致導(dǎo)體損耗增加和傳播相位延遲更大。銅表面粗糙度的主要指銅與介質(zhì)交界面，由于銅表面粗糙度的影響導(dǎo)致?lián)p耗隨著頻率的增加而增加。毫米波信號的較小波長導(dǎo)致作為EM波傳播具有較小的趨膚深度。這樣較大銅表面粗糙度的線路板材料將更嚴重地影響毫米波頻率處的插入損耗和相位響應(yīng)。銅表面粗糙度對插入損耗的影響也取決于線路板材料的厚度，較薄的電路受銅表面粗糙度的影響比厚的電路更大。

在毫米波頻率下，與GCPW電路的導(dǎo)體損耗相比，具有較大銅表面粗糙度的線路板材料對微帶電路的導(dǎo)體損耗有更大的影響。這也就意味著，具有更平滑的銅光潔度的線路板材料對GCPW電路導(dǎo)體損耗性能的改善比微帶電路更小，尤其是在毫米波頻率下。特別地，緊耦合的GCPW電路（其具有窄間隔的導(dǎo)體和接地區(qū)域）比松耦合的GCPW電路（具有更大的導(dǎo)體和接地間距）受到銅表面粗糙度的影響小。

用于毫米波電路的最佳線路板材料應(yīng)該具有最小的相位變化，因為這種特性對于許多毫米波應(yīng)用（例如77GHz車載雷達系統(tǒng)）是至關(guān)重要的。通過減小某些基于材料的屬性（例如銅厚度，Dk，導(dǎo)體寬度和介質(zhì)厚度）的變化，毫米波頻率下的相位變化可以最小化。

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