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PCB資訊

PCB資訊 - PCB結構對毫米波雷達性能有何影響?

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PCB資訊 - PCB結構對毫米波雷達性能有何影響?

PCB結構對毫米波雷達性能有何影響?
2022-07-29
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常見的複合PCB大多使用玻璃纖維作為介質層的填充物,但由於玻璃纖維的特殊編織結構,PCB板的局部介電常數(Dk)會發生變化。 特別是在毫米波(mmWave)頻率下,更薄的電路板的玻璃編織效果會更加明顯,Dk的局部不均勻性會導致射頻(RF)電路和天線的效能發生顯著變化。 使用100 μ m厚的玻璃編織聚四氟乙烯(PTFE)電路板研究其PCB結構對傳輸線效能的影響。 根據不同玻璃編織結構的類型,實驗發現PCB板的介電常數在0.01~0.22之間波動。


為了研究不同玻璃編織結構對天線效能的影響,在羅傑斯的商用電路板RO4835和RO4830熱固性電路板製作了串聯饋電微帶貼片陣列天線,實驗結果表明:RO4830電路板按法線公差處理後與計算值更一致,變化更小,具有更好的反射係數(S11 <-10dB)和視軸增益效能。


自動駕駛汽車是當前的研究熱點。 它們可以幫助駕駛員和行人避免潜在的致命事故,並且需要高可靠性。 囙此,它們的組成電路必須具有高可靠性。 毫米波(mmWave)雷達在環境檢測中具有結構緊湊、靈敏度高等諸多優點,為自動駕駛中的目標檢測提供了可靠、準確的解決方案。 在76至81 GHz頻率的商用毫米波雷達系統中,串聯饋電微帶貼片天線因其易於設計、結構緊湊、大批量、低成本製造而成為首選[1]。 頻率越高,波長越小。 囙此,與低頻相比,工作在毫米波頻率的傳輸線和天線的尺寸會更小。 


為了保證車載雷達的理想效能,需要研究PCB對傳輸線和微帶貼片天線的影響。 對於長期在室外環境中工作(受溫度和濕度影響)的毫米波頻率電路,在選擇PCB電路電路板時,首先要考慮的是材料性能指標的一致性。 但是,構成電路板的銅箔、玻璃纖維增强材料、陶瓷填料等材料對高頻下各項名額的一致性影響較大。


大多數PCB電路板的介電層通常是通過在玻璃纖維布上塗覆聚合物樹脂而形成的。 在毫米波頻率下,玻璃纖維布對材料效能的一致性有非常明顯的影響,因為玻璃纖維束的寬度與傳輸線的寬度相當。 此外,當使用較薄(例如100 μ m)的PCB電路電路板設計微帶天線時,玻璃編織布會導致天線效能發生顯著變化,降低加工良率。


PCB電路板通常由玻璃纖維布和聚合物樹脂結合形成介電層,然後用銅箔覆蓋兩面製成。 玻璃布的典型介電常數(Dk)比較高,約為6.1,而低損耗聚合物樹脂的介電常數在2.1-3.0之間,所以在較小的區域內Dk有一定的差异。 指節交束區“Knuckle-Bundle”上方的電路由於玻璃纖維含量較大而具有較高的Dk,而束開口區“Bundle-Open”上的電路由於樹脂含量較大而具有較低的Dk。 此外,玻璃織物的特性受玻璃織物的厚度、織物之間的距離、織物的壓平方法、各軸的玻璃含量等多種因素影響。


在用於毫米波應用的薄電路板中,經常使用兩種典型的薄玻璃布編織樣式,即1080型和1078型,1080標準編織使用不平衡玻璃布。 這種玻璃布的一個杆身的玻璃含量高於另一杆身的玻璃含量。 與1080型機織物相比,1078型開孔玻璃纖維織物具有更均勻的玻璃纖維平面,囙此整個織物上的Dk變化inate較小。 與使用多層玻璃布電路板相比,單層玻璃布電路板的Dk值變化更為顯著。 此外,帶有陶瓷填料的層壓材料可以减少玻璃布不同編織方法引起的Dk變化。

高頻電路板

高頻電路板

對傳輸線電路的影響

本測試實驗使用帶有1 mm端子連接器的微帶傳輸線電路。 連接器首先連接到50歐姆的接地共面波導(GCPW),通過阻抗轉換器將其轉換為高阻抗微帶傳輸線。 微帶傳輸線長度為2英寸,保證了實驗電路可以測試玻璃編織結構的效果。 該電路採用玻璃編織聚四氟乙烯(PTFE)薄電路板、壓延銅和單層玻璃布進行處理。 為了比較不同玻璃編織結構的效果,在三種不同的PCB電路板結構上分別製作了傳輸線電路:1080型玻璃布PTFE聚四氟乙烯,1078型玻璃布PTFE聚四氟乙烯陶瓷填充非PTFE乙烯基電路板,類型1080玻璃布。 仔細檢查處理後的電路,篩選合適的傳輸線進行測試,並量測電路的幅度和相角特性。 通過相位角(展開後的相位值)、群延遲(基於隨頻率變化的相位角)和傳播延遲(基於相位角計算)三個參數來確定電路板的介電常數變化。


帶GCPW訊號饋送的微帶傳輸線

與“轉向節束區”和“束開區”對齊的傳輸線電路的原始群延遲、傳播延遲和相位差。 可以看出,Dk值越高,電磁波的傳播速度越慢,這與群延遲、傳播延遲和相位差的新增相吻合。 根據電路的群延遲、傳播延遲和相位差,計算出的介電常數變化。 1078型開纖編織電路板具有均勻的玻璃布分佈。 囙此,與1080型標準編織電路板(Dk值變化為0.22)相比,Dk值變化較小,僅為0.03。 如前所述,陶瓷填充電路板的Dk變化更小,僅為0.02。


對天線效能的影響

串聯饋電微帶貼片天線陣列是毫米波汽車雷達中最典型的天線。 為了研究玻璃纖維效應對天線效能的影響,設計了一種1 × 4串饋微帶貼片天線,其工作頻率範圍為76-81Ghz[3]。 天線由兩種不同的玻璃布層壓材料RO4835和RO4830製成。 天線由接地的相鄰元件製成,以研究其耦合效應。


RO4835電路板在10GHz下的介電常數為3.48,損耗角正切為0.0037(基於IPC TM-650 2.5.5.5標準測試)。 此外,RO4830電路板的介電常數為3.24,損耗角正切為0.0033(基於IPCTM-650 2.5.5.5標準測試)。 RO4835電路板由1080標準編織不平衡玻璃布和陶瓷填料增强材料製成。 相比之下,RO4830電路板採用1035扁平開放式玻璃纖維編織物和填充較小顆粒的陶瓷進行增强。 進一步比較了基於RO4835和RO4830的電路板的特性。

加工後,選擇符合設計尺寸的天線,天線傳輸線與RO4835電路板的“轉向節交叉區”和“波束開口區”對齊。 由於RO4830電路板採用了平面玻璃纖維編織結構,囙此無需考慮RO4830電路板中導體是否與玻璃織物對齊,分別量測處理後天線的反射係數(S11)和視軸增益。


為簡單起見,本文給出的結果均取自多個被測天線的測試材料的平均值,並將量測結果與類比結果進行比較。 RO4835電路板上的天線(五個樣品)的測試結果。 “轉向節橫樑區域”和“光束開口區域”的反射係數(S11)和視軸增益發生了顯著變化。 RO4835的天線效能取决於e將電線與“轉向節交叉區域”和“光束開口區域”對齊。 此外,天線增益也隨頻率變化,說明介電常數也在變化。 此外,高頻方向的偏移表明介電常數較低。


比較RO4830電路板天線的效能,測試的天線效能與RO4830電路板的類比值非常一致,更加匹配。 量測結果與類比結果一致表明,電路板的介電常數變化最小。 比較這兩個結果,標準編織RO4835層壓材料的視軸增益最大變化為4 dB,而扁平開纖編織RO4830層壓材料的最大變化僅為2 dB。 通過如此簡單的實驗,可以得出,採用羅傑斯RO4830電路板,採用扁平開放式玻璃纖維編織結構,可以獲得更一致的反射係數和視軸增益等天線效能。



PCB電路板的結構會影響傳輸線和天線的效能。 玻璃布的施工方法也會改變電路板上的介電常數,從而降低產品的效能,影響產品的良率。 與RO4835電路板相比,RO4830電路板加工的天線在名額效能上具有更好的一致性。 天線效能和加工良率的提高主要歸功於層壓材料的結構,即:扁平玻璃纖維編織、較少的玻璃含量(導體遠離玻璃纖維)、更厚的基板等。 天線效能的提高是還與材料的電力效能有關,例如RO4830電路板,其具有較低的介電常數和較低的損耗角正切值。 囙此,在較小波長毫米波頻率雷達的應用中,羅傑斯RO4830電路板加工的天線的效能和一致性要優於RO4835電路板加工的天線。