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PCB技術

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PCB結構對毫米波雷達的影響
2020-09-11
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Author:Dag      Share


普通複合印刷電路板的介電層(PCB)多采用玻璃纖維作為填料。但是,由於玻璃纖維的特殊編織結構,PCB的局部介電常數(DK)會發生變化。特別是在毫米波頻率下,玻璃編織效果比薄層壓板更明顯,DK的局部不均勻性會導致射頻電路和天線性能發生明顯變化。採用厚度為100μM的玻璃編織聚四氟乙烯(PTFE)層壓板研究PCB結構對傳輸線性能的影響。根據玻璃編織結構的不同類型,PCB板的介電常數在0.01和0.22之間波動。為了研究不同玻璃編織結構對天線性能的影響,在 Rogers 上製作了串聯饋電微帶貼片陣列天線。


自動駕駛是目前的熱門研究課題。它可以幫助駕駛員和行人避免潛在的致命事故,並且對可靠性要求很高。因此,要求電路必須高度可靠。毫米波雷達因其結構緊湊、環境檢測靈敏度高,為自動駕駛中的目標檢測提供了可靠可靠的解決方案。在76-81 GHz的商用毫米波雷達系統中,串聯饋電微帶貼片天線因其設計簡單、結構緊湊、批量生產和成本低而受到歡迎。頻率越高,波長越小。因此,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性能,有必要研究PCB對傳輸線和微帶貼片天線的影響。對於長期在室外環境(受溫度和濕度影響)工作的毫米波頻率電路[2],選擇PCB電路層壓板時,材料性能指標的一致性是首要考慮的問題。但是,構成層壓板的銅箔、玻璃纖維增強材料、陶瓷填料等材料對高頻下各項指標的一致性影響較大。選擇PCB電路層壓板時,材料性能指標的一致性是首要考慮的因素。但是,構成層壓板的銅箔、玻璃纖維增強材料、陶瓷填料等材料對高頻下各項指標的一致性影響較大。選擇PCB電路層壓板時,材料性能指標的一致性是首要考慮的因素。但是,構成層壓板的銅箔、玻璃纖維增強材料、陶瓷填料等材料對高頻下各項指標的一致性影響較大。


毫米波雷達的應用

毫米波雷達的應用



本文主要研究PCB結構對毫米波雷達性能的影響。大多數PCB層壓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,玻璃纖維布對材料特性均勻性的影響非常明顯,因為玻璃纖維束的寬度等於傳輸線的寬度。此外,當使用薄的(例如100μm)PCB線路層壓板設計微帶天線時,玻璃編織布會導致天線性能發生顯著變化,降低加工良率。


層壓板的組成

層壓板通常由玻璃纖維布和聚合物樹脂製成介電層,然後在兩面覆蓋銅箔。玻璃布的典型介電常數(DK)較高,約為6.1,而低損耗聚合物樹脂的介電常數(DK)在2.1至3.0之間,因此DK在小範圍內存在一定差異。圖 1 顯示了層壓板中玻璃編織纖維的顯微俯視圖和橫截面圖。由於其較高的玻璃纖維含量,轉向節束上方的電路具有較高的 DK,而由於樹脂含量較高,束上的電路具有較低的 DK。此外,玻璃織物的性能受玻璃織物的厚度、織物之間的距離、織物的壓平方法和各軸的玻璃含量的影響。


薄玻璃布的兩種典型編織圖案1080和1078常用於毫米波應用的薄層壓板,如圖2所示。不平衡玻璃布用於1080標準編織。一個軸的玻璃含量高於另一軸的玻璃含量。與1080編織布相比,1078開孔玻璃纖維編織布具有更均勻的玻璃纖維平面,因此整個層壓板的DK變化較小。與多層玻璃布層壓板相比,單層玻璃布層壓板的DK值變化更為顯著。此外,帶有陶瓷填料的層壓材料可以減少玻璃布不同編織方法引起的DK變化。


1080(開放不平衡編織)和1078(開放纖維)玻璃布的結構顯微圖

1080(開放不平衡編織)和1078(開放纖維)玻璃布的結構顯微圖


對傳輸線電路的影響

本次測試實驗採用微帶傳輸線電路,使用1mm終端連接器。連接器首先連接到 50 歐姆接地共面波導 (GCPW),並通過阻抗轉換器轉換為高阻抗微帶傳輸線。如圖3所示,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。電路採用玻璃編織聚四氟乙烯(PTFE)層壓板,採用壓延銅和單層玻璃布。為了比較不同玻璃編織結構的效果,在三種不同的PCB層壓板上製作傳輸線電路,分別是PTFE Teflon和1080玻璃布,PTFE聚四氟乙烯和1078玻璃布,和非 PTFE 層壓板填充 1080 玻璃布。仔細檢查處理後的電路,選擇合適的傳輸線進行測試,測量電路的幅值和相角特性。層壓板的介電常數由三個參數決定:相位角(擴展相位值)、群延遲(基於隨頻率變化的相位角)和傳播延遲(根據相位角計算)。


對天線性能的影響

串聯饋電微帶貼片天線陣列是毫米波汽車雷達的典型天線。為了研究玻璃纖維效應對天線性能的影響,設計了一種1×4串聯饋電微帶貼片天線,其工作頻率範圍為76-81 GHz[3]。如圖 4 所示,天線由兩種不同的玻璃布層壓板製成,即 ro4835 和 ro4830。天線由接地的相鄰元件製成,以研究其耦合效應。

在 ro4835 和 ro4830 層壓板上製造的串聯饋電微帶貼片陣列

rogers ro4835rogers  ro4830 層壓板上製造的串聯饋電微帶貼片陣列


層壓板在 10 GHz 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層壓板的介電常數為3.24,損耗角正切為0.0033(基於ipctm-650 2.5.5.5標準測試)。Ro4835層壓板由1080標準編織不平衡玻璃布製成,並用陶瓷填料增強。相比之下,ro4830 層壓板由 1035 扁平開放式玻璃纖維編織物和填充有較小顆粒的陶瓷增強。表 3 進一步比較了基於 ro4835 和 ro4830 的層壓板的性能。