高頻微波技術 - 從電路損耗為77GHz車用雷達尋找PCB材料

毫米波頻段無線訊號正逐漸被應用到各個領域，如車用高級駕駛輔助系統（ADAS）的雷達感測器。 77 GHz的雷達感測器已被證明對ADAS系統的增强相當有效，而且77GHz雷達感測器還是自動駕駛車用的關鍵部件。 但是，哪種PCB材料最適合用於毫米波頻段的ADAS與自動駕駛車輛呢？ 與頻率較低的射頻電路、微波電路不同，毫米波頻率對PCB材料有極為苛刻的要求。 羅傑斯公司的RO3003電路板擁有毫米波頻段應用所需的所有特性，在未來自動駕駛車用的電子系統中發揮重要的作用，使得公路駕駛將變得更加安全。

對於任何高頻電路的設計，使電路損耗保持最低都是一個值得追求的目標，而在毫米波頻率下保持較低的電路損耗更為重要，因為在毫米波頻率中訊號功率更小。

現時我們討論PCB電路損耗及其組成部分，介紹了在選擇PCB基板時要考慮的、可使77GHz雷達PCB天線的電路損耗降到最低的關鍵準則。

車用毫米波雷達

電路損耗

對於例如77GHz的車用毫米波雷達天線，電路的總體損耗常被描述為插入損耗。 通常，電路的插入損耗由四部分組成，分別是導體損耗、介電損耗、輻射損耗與洩漏損耗。 前三種方法都有很大的影響，而最後一種，即洩漏損耗，即使在毫米波頻率下也通常被認為是可以忽略不計的。

導體損耗

導體損耗通常是四者中最為重要顯著的，且一般與傳輸線科技的選擇以及與PCB材料相關技術參數（例如銅箔的類型，趨膚深度和導體寬度等）有關。 銅箔的類型對毫米波電路的導體損耗有很大的影響，銅箔表面光滑的電路相較銅箔表面粗糙的電路具有更小的損耗。 例如，壓延銅導體的電路材料具有更光滑的銅箔表面，尤其是在77 GHz時，損耗將比表面更粗糙的標準電解（ED）銅導體的損耗要小。 銅的趨膚深度（射頻電流在銅-基板介面中的深度）也會影響導體損耗。 趨膚深度受頻率影響，隨著頻率的提高，損耗也隨之提高。 當銅導體的表面粗糙度具有與趨膚深度相同或接近相同的尺寸時，銅導體的表面粗糙度將使該PCB材料的導體損耗顯著提高。

之前的ROG部落格曾經提到過：為什麼不能在毫米波頻段下繼續使用熟悉的傳輸線科技，如微帶線。 微帶線的結構簡單，頂層銅是訊號線，底層銅是接地平面，中間由介質層隔開，其對於高頻電路的設計和製造來說無疑是最容易的。 但是，其它傳輸線形式，例如帶狀線和接地共面波導（GCPW），在毫米波頻率下都更具有優勢。

輻射損耗

微帶線是一種從射頻到30GHz較為流行的傳輸線結構，其導體損耗相對較低。 而高於30 GHz時，其輻射損耗往往高於帶狀線與GCPW結構。 輻射損耗與頻率有關，隨頻率的新增而新增。 同時它還依賴於PCB材料的介電常數（DK），隨DK的新增而减小。

PCB的厚度同樣也會對輻射損耗產生影響，較厚的電路具有更大的輻射損耗。 雜波模干擾也會新增毫米波電路的輻射損耗。 為了使毫米波電路中的這些雜波模干擾降至最低，通常將較薄的介電材料與較窄的導體組合。 正是這個原因，波長較短的毫米波電路都趨於使用較薄的電路材料，無論是哪種傳輸線結構。

介電損耗

PCB材料的介電損耗主要與電路材料的損耗因數（Df）有關。 當用到更多介質材料時，這種類型的損耗對某些電路結構的影響會更大。 例如，在使用多層介質材料的帶狀線電路中，介質損耗是值得進一步研究的。 與較薄的電路相比，較厚的微帶和GCPW電路中也更明顯。 帶有阻焊綠油層的電路也會新增PCB材料的介電損耗，這在GCPW中比在微帶電路中體現的更加明顯。

77GHz下的材料參數

電路設計和製造的要求在較高的頻率下就變得更為苛刻了，因為例如在77 GHz頻率下，訊號波長較短，而訊號功率水准也較低。 但是，如果可以製造高精度特徵電路，並且電路材料可以提供一致的特性，則幾種不同的傳輸線科技依然可以在毫米波頻率下繼續應用。

例如，毫米波頻率下的低損耗帶狀線電路基於多個一致的介質材料和通過電鍍通孔（PTHs）互連的導體銅層。 每個PTH都會給電路層新增一定量的電容和電感，進而改變毫米波頻率下電路的效能，特別是當導體層和介電層的特性不同時。

當然，在77GHz頻率下，儘量減少電路損耗是非常重要的，因為訊號功率水准往往很小。 沒有一種傳輸線科技能在如此的高頻率下成為電路的必然選擇。 然而，毫米波頻率下電路材料的特性可作為選擇毫米波頻率下最佳PCB材料的指南。 在减小電路損耗的同時，六種關鍵的電路材料特性對於在77 GHz實現有效的、低損耗的毫米波電路至關重要：

·Dk公差

·電路材料Df

·銅箔導體表面粗糙度

·Dk與Df的熱穩定係數

·吸水性

·玻璃編織效應

在毫米波頻率下，使用羅傑斯公司RO3003 PCB材料來分析這六種材料特性時，其在如此高的頻率上材料表現出來的優勢使其成為該頻段最佳的材料選擇。 這也可以解釋為什麼RO3003層壓板已成為77 GHz和其它毫米波電路應用中廣泛使用的PCB材料。 瞭解這六種關鍵的材料特性，以及它們與毫米波頻率下的電力效能之間的關係，可以幫助電路設計工程師在77 GHz下尋求最佳的電路效能。 正如2.4 GHz與Wi-Fi等廣泛的無線通訊應用相關聯，77 GHz已成為車用毫米波雷達標準頻率。