【选型】浅析用于毫米波电路的传输线技术

【摘要】通过在RO3003PTFE 陶瓷上制作的标准带状线传输线结构,使用低损耗同轴信号过渡方式相同的电路材料的情况下的同轴转换带状线的连接可以达到80GHz。


毫米波电路应用新挑战

过去很长的一段时间内,在电路中应用高于30GHz的毫米波频率是极罕见的。但随着第五代(5G)无线网络技术的兴起和汽车雷达系统的广泛应用,毫米波频段被越来越多地使用。对于许多电路设计工程师来说,这些频率可能代表未知的领域,他们可能不仅需要考虑合适的印刷线路板(PCB)材料,还需要考虑最佳传输线技术,以及电路板布局和连接器信号转换等的一些因素。随着毫米波电路应用场景越来越多,许多电路设计工程师都面临着新的挑战。


毫米波电路的传输线技术对比

熟悉微带线的电路设计工程师可能会问:如果PCB材料能提供需要的性能,是否能够在更高频率下仍然使用微带线呢?微带线被广泛用于频率约为300MHz到30GHz的电路中。但在30GHz以上,即毫米波频段(30GHz至300GHz),微带线的辐射损耗会显著增加以及带来寄生传播模式问题的困扰。通常,设计同时有微波和毫米波传输线的电路工程师通常会做一个从微带线到接地共面波导(GCPW)传输线的过渡。当设计合理且加工良好时,这种设计具有很少甚至没有辐射损耗,并且减小了的杂散模的传播。


对于宽带且没有不同传输线之间的转换的电路,带状线是常用的传输线方式,且可用于低频段到毫米波频段。然而,在微波频率下从同轴连接器到PCB上的带状线的信号转换也并不容易,并且随着传输线结构的尺寸缩小,在更高的毫米波频率下会变得更加困难。理想情况下,从高频连接器的同轴结构到平面的PCB带状线的过渡应该是平滑的,很少或没有信号损失和反射,并且没有寄生模式。假设匹配良好,带状线是用于毫米波的PCB传输线的一个极好选择,尽管比起微带线和共面波导(GCPW)传输线,其在电路加工时会稍微复杂些。


微带线和共面波导(GCPW)电路因易于加工组装很具吸引力。他们具有相同的特点,即底层是接地平面,顶层是信号导体和器件的单一介电层。由于电路无遮挡,器件可以直接附接到信号平面的传输线上。然而,带状线的信号导线被介质层所包围,依次有介质顶层和底层的接地平面。另外带状线的信号导体被隐埋在多层电路结构中,所以器件和信号导体之间的连接都不是常规的。微波带状线电路板中的信号连接通常通过导电通孔来完成:即钻出穿过电介质层并且镀有导电金属的孔。镀孔,或者说大家常说的电镀通孔(PTH),是提供了穿过电介质层的短的导电信号路径,但也使电路增加寄生的电容电感值,从而影响更高频率的性能。这些寄生的电容电感也将成为毫米波频率的电路(必须建模计算)的一部分。


毫米波PCB的带状线传输线技术的有效使用依赖于寻找到最佳的镀孔结构,从而将高频信号低损耗,低反射地传输到嵌入的信号平面。这种带状线电路结构的良好通孔,不仅对于完成信号能量过渡的连接器,而且对任何外部元件所形成的电气连接都是必要的。


激光镭射技术是形成毫米波频段的带状线的PCB互连所需的小孔或微孔的有效手段。精确控制的激光钻孔系统通过烧灼方式从带状线电路结构顶层铜面,再穿过其下面的电介质材料,在位于两个电介质层之间的信号平面上切割微米大小的微孔。通过镀铜,就形成了从顶层铜层到下面的信号平面层的导电路径。这种微孔可以形成薄介质材料所需要的短波毫米波频率的极小的直径和极短的线路长度。


通过使用这种成熟的商用激光微孔成型工艺,在毫米波频段的带状线可以实现极好的互连性能。相比而言,带状线电路中的较大PTH(电镀通孔)在毫米波频段却会带来不必要的寄生电容和电感,即使孔径长度最短。


RO3003PTFE 陶瓷打造更出色的传输技术

低损耗、低回波的带状线信号过渡转换技术的已普遍用于40GHz的电路中,在40GHz以上的频率,实现在使用同轴连接的带状线电路的连接器接口和通孔之间的良好匹配存在一定的困难。然而,基于最近罗杰斯公司的做的RO3003层压板的实验来看,PCB材料的选择可以在毫米波频率的带状线电路中发挥重要作用。通过在RO3003材料上制作的标准带状线传输线结构,使用低损耗同轴信号过渡方式可有效传输高达60GHz的信号。如果加以一些小的修改后,相同的电路材料的情况下的同轴转换带状线的连接可以达到80GHz。


当考虑支持毫米波频段电路的PCB材料时,稳定性是一个关键指标。RO3003电路材料在30 GHz以上频率能够表现出良好的机械特性和电气稳定性。材料的机械稳定性,作为多层板结构的一部分,通常在材料中通过玻璃布增强方式来实现。然而,RO3003层压板没有使用玻璃布增强,因此微孔可以不受到激光玻璃的影响,可以可靠且连贯地激光成形。同时,RO3003的热膨胀系数(CTE)与铜的热膨胀系数非常接近,因此即使在热循环时,微孔仍能保持原有结构和电气性能。无论选择哪种传输线技术,RO3003电路材料在宽频率范围内介电常数(Dk)和损耗因数(Df)的一致性,对于高频电路应用来说这是一个非常合理的选择起点。


对于毫米波电路可能没有哪种传输线技术是完美的,但是PCB材料作为电路设计选择的起点,可以使在这些较高频率下的最终性能产生一定的差异。微带线和共面波导技术能支持许多毫米波电路应用,且易于加工和测试,但事实表明,当选择合适的电路材料,带状线是毫米波频率下具有出色的电路性能的传输技术。

2017-01-11    Rogers
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