【技术】通往5G之路:在毫米波设计中常被忽视的关键因素

2018-03-06 世强 馨小喵

ROGERS公司针对毫米波5G设计中常见的问题进行了总结与解答。

 

问题1:用于很多高频材料中的玻璃布纤维,是否会对大于60GHz应用的电气性能带来问题?

在使用板材的过程中,若到了60GHz以上确实会遇到问题,特别是使用玻纤增强型PTFE板材时,因为当使用频段到60GHz以上时就会对板材的Dk非常敏感,而使用玻纤布增强的PTFE板材时,它会在某些地方有PTFE的材料而没有玻纤,而某些地方含有玻纤,由于玻纤和PTFE材料的Dk不同,导致没有玻纤的空洞部分与有玻纤的部分形成两个不同的Dk。由于玻纤的存在,导致Dk发生周期性变化,这种特性是很难通过测量进行捕捉与去除的,所以在微波频段设计当中,需要非常注意这种问题。

 

玻纤的影响不仅会带来Dk的周期性变化,还会给差分线设计带来波动的干扰。电磁波在高Dk媒介的导体中传播速度比低Dk媒介中的慢,信号在两中不同Dk的媒介中传播延时不同,这种差通常叫做偏移,而这种偏移会导致射频和高速数字系统中出现许多问题。除了周期变化的Dk带来的影响之外,到了60GHz以上,有可能1/4波长就会与周期性变化Dk的长度相当了,当大于或等于1/8波长时,这种Dk的差异会造成电磁波的不同传播,因此在设计无源器件时,需要尤其注意Dk变化带来的射频指标影响。

 

所以在60GHz以上的应用中,需要注意板材的均一性,如果使用了玻纤布增强型PTFE材料,一定要考虑它是否是不存在空洞造成周期性变化的Dk,或者直接采用RO3003这类不含有玻纤布的材料。

 

问题2:由于很多5G毫米波设备中的电路,都将采用混合多层板的设计方式,那么对于设计工程师来说,在选择电路材料时应该考虑哪些问题?

例如一个表层使用5mil的RO3003、下边各层使用FR4进行设计的混压板,表层的RO3003由于具有较好的射频性能,因此在需要射频性能的时候使用这块板材是比较合适的。

 

很多时候使用混压板材并不仅是因为射频性能的需要,有时也是因为成本,通常射频板材比较贵,所以大家会在没有射频要求的部分尽量使用FR4,不过设计时需要考虑不同板材的热胀缩,若将热膨胀系数高的板材与低的板材进行混压,则容易造成板弯板翘。同样,在设计时若采用比较薄、比较小的少量的射频板材,即使它的热膨胀系数与其他板材不同,但由于其他板材比较厚、比较多,因此可以在一定程度上弥补射频板材热膨胀系数不好的问题。

 

此外,使用混压板还有可能因为导热率的要求。在射频板材中,由于其射频比较优良,通常选用的材料导热比较差,因此在混压时,上层使用射频材料,下层采用高导热率的材料帮助进行散热,最底层使用散热器。

 

问题3:在高于15GHz的应用中使用PTFE材料或热固性材料的优势和缺点有哪些? 

PTFE类材料是很适合用于高于15GHz的应用中,它具有很好的射频性能,但是它的加工性能不尽人意,PTFE与热固性材料的优缺点具体如下:(1)PTFE材料相比于热固性材料,通常具有更低的损耗因子;(2)PTFE材料可以与压延铜相结合,压延铜是具有最光滑表面粗糙度的铜箔,从而大大降低导体损耗;(3)热固性材料不能和压延铜相结合,但可以与较为光滑的反转铜箔相压合满足结合力要求,如RO4835 LoPro材料;(4)PTFE材料在PCB加工过程中通常需要一些特殊的工艺要求,而绝大多数热固性材料可以使用PCB标准加工工艺。

 

问题4:铜箔的表面粗糙度如何对电路的插入损耗和设计Dk造成影响?

如图1列举了频率从0.01GHz到80GHz下的趋肤深度以及不同铜箔类型的均方根值,若是在微波频段随着频率的增加,趋肤深度导致大部分的射频电流或射频信号走在铜箔较粗糙的部分,就会导致射频电流路径的增加,从而导致整个插损的增加。


图1 频率、趋肤深度与铜箔类型

 

图2展示了以Rogers公司的5mil RO3003作为测试材料,选取不同粗糙度的铜箔(压延铜与电解铜)进行测试,其中压延铜是非常光滑的铜箔,他的铜箔表面粗糙度的RMS约为0.3μm,而电解铜的铜箔较为粗糙,它的铜箔表面粗糙度的RMS约为1.8μm,可以很明显的看出,使用压延铜的插入损耗远远小于使用电解铜的,而在40GHz以上,两者的差异愈发明显。


图2基于5mil RO3003材料的不同铜箔的损耗比较

 

如图3比较了使用不同铜箔的5mil RO3003的等效Dk随频率的变化,可以看出,随着频率增加,粗糙铜箔Dk的变化范围比较大,光滑的压延铜变化范围很小。同时,粗糙的铜箔表面会导致电路呈现比原介质材料Dk值高的Dk,且粗糙的铜箔表面会减缓电磁传播速度,导致电路表现出较高的有效Dk。


图3  Dk随频率变化的微带线差分相位长度法

 

技术顾问:搬砖的奶爸


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