【应用】5G的关键板材特性I:毫米波频段电器性能指标的含义

2018-01-13 Rogers(世强编辑整理) 馨小喵

随着无线通信的发展,4G已经逐渐无法满足人们的需求,而拥有更高载波频率与更宽带宽的5G技术正在飞速发展,其中毫米波是5G的核心技术之一。根据材料的基本特性和电路在毫米波中应用的特性,大体可以分成两个方面:一是电路的插入损耗;二是电路的介电特性。

 

一、插入损耗

 在毫米波的应用中,电路的插入损耗可以分成四部分,分别是:导体损耗、介质损耗、辐射损耗与泄露损耗。对于PCB电路来说,泄露损耗可以忽略不计。而辐射损耗与特定的电路设计有关,例如天线设计,因此本文也暂不讨论辐射损耗。介质损耗是由材料的损耗因子所决定的,因此在选用材料时需要特别注意这一特征。导体损耗受很多因素影响,例如导体的线宽、所选用的铜箔,接下来做主要讨论。

 

对于材料而言,导体损耗受铜箔的表面粗糙度所影响,铜箔表面粗糙度是指介质与铜箔相结合处的区域。此外,铜箔表面粗糙度对电路性能的影响还与频率相关,当某一频率的趋肤深度与铜箔表面粗糙度相当,甚至小于铜箔表面粗糙度时,铜箔表面粗糙度对插入损耗的影响是非常显著的,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,可以对比两者进行研究。


 

图1 频率与铜箔类型

 

此外,铜箔表面粗糙度对插入损耗的影响也与材料厚度密切相关,材料越薄,插入损耗受铜箔表面粗糙度的影响越大,反之则越小。如图2所示,以ROGERS公司的5mil RO3003材料作为测试材料,选取不同粗糙度的铜箔(压延铜与电解铜)制成微带电路进行测试。其中压延铜是非常光滑的铜箔,他的铜箔表面粗糙度的均方根值约为0.3μm,而电解铜的铜箔较为粗糙,它的铜箔表面粗糙度的均方根值约为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。


 

图2 基于5mil RO3003材料的不同铜箔的损耗比较

 

插入损耗受很多因素影响,不同的表面处理工艺也是影响因素之一。表面处理工艺所使用的材料导电性通常比铜箔的导电性差,因此导致导体损耗的增加,从而进一步导致整个插入损耗的增加。图3展示了基于ROGERS公司的5mil RT/duroid 6002材料设计加工的微带线插入损耗的测试情况。在相同材料制作的电路中,分别采用裸铜与化学镍金表面处理工艺,由于镍的导电性能是铜的1/3,因此可以看出化学镍金的表面处理工艺增加了导体损耗,最终增加了整个电路的插入损耗。


 

图3 基于5mil RT/duroid 6002的不同表面处理工艺比较

 

其他因素例如材料的吸水性,也是影响插入损耗的一个因素。有很多方法可以测试材料吸水性对插入损耗的影响,本文采用双85测试方法,即室温达到85℃且相对湿度为85%,如图4所示。


 

图4 吸水性对电路插入损耗的影响

 

二、介电特性

在实际应用中,材料所反映的实际介电常数或等效介电常数被称为设计Dk,ROGERS公司对于材料与电路所呈现出来的设计Dk做了许多研究,发现铜箔表面粗糙度影响设计Dk,因为其使得电磁波传输速度减缓。如图5展示了基于ROGERS公司的5mil RO3003材料的电解铜与压延铜对于设计Dk的影响,证明了铜箔表面粗糙度是设计Dk的影响因素之一。


图5 铜箔表面粗糙度对设计Dk的影响

 

另一个介电特性是介电常数温度系数(TCDk),图6展示了多种不同材料的TCDk的情况,紫色曲线是几乎纯PTFE材料的TCDk曲线,它在25℃时有一个明显的拐点,纯PTFE材料如果选择合适的填充材料,则TCDk在25℃的拐点可被消除,从而使得值趋于完美。蓝色曲线是ROGERS公司的RO3003材料,它选用了合适的填充材料,使得它的TCDk趋于完美,值趋近于1,这也是在毫米波应用中,众多工程师选择该材料的原因之一。

 

图6 不同材料的TCDk

 另外,以微带线为例:插入损耗除了和电路板材料、介电常数等因素有关之外,还和板层厚度、微带线的铜箔厚度等因素有关。而通过ROGERS的工艺,可以满足客户的各种需求。

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  • 家琪 Lv3 . 高级工程师 2018-01-13
    好资料
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