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從自動(dòng)駕駛車(chē)輛上使用的防碰雷達(dá)系統(tǒng)到第五代（5G）高數(shù)據(jù)速率新無(wú)線(xiàn)（NR）網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，毫米波PCB電路的應(yīng)用領(lǐng)域正在快速增長(zhǎng)。許多應(yīng)用正在促進(jìn)工作頻段往更高的頻率變化（如>24GHz）。然而，這種波長(zhǎng)更短的電路，設(shè)計(jì)和加工的微小變化可能造成電子產(chǎn)品性能出現(xiàn)重大差異。了解毫米波頻率和低頻頻率PCB電路之間的差異可能有助于避免電路性能異常和差異。

PCB射頻技術(shù)概述

與低頻電路相比，高頻射頻/微波電路易受電路材料和加工工藝的影響。雖然電源線(xiàn)和數(shù)字控制等電路功能可以用低成本FR-4電路材料，但是射頻、微波和毫米波電路需要性能更好的電路材料，以盡量減少信號(hào)損耗和畸變。許多具有很多不同電氣功能的多層混合信號(hào)PCB通常由不同類(lèi)型的電路材料混合壓制而成，應(yīng)選擇最適合的材料用于該層電路功能。

高頻PCB通?；谌N常見(jiàn)電路傳輸線(xiàn)技術(shù)，即：微帶線(xiàn)電路、帶狀線(xiàn)電路或接地共面波導(dǎo)（GCPW）電路（見(jiàn)圖1）。圖中基于單端傳輸線(xiàn)描繪了每種電路的電場(chǎng)（E）和電流密度，可以看到每種電路類(lèi)型的結(jié)構(gòu)各不相同，其中這里所示的電場(chǎng)為導(dǎo)體與地層的耦合區(qū)域。對(duì)于差分電路，使用的兩根導(dǎo)線(xiàn)其間也存在耦合。例如，對(duì)于一個(gè)差分微帶線(xiàn)電路，電場(chǎng)將在頂層的信號(hào)導(dǎo)體之間和頂層到地層的導(dǎo)體之間相互耦合。尤其是在較高頻率下，使用這些傳輸線(xiàn)的高頻電路極易受電路材料參數(shù)和PCB加工的影響。



圖1：三種常見(jiàn)高頻電路類(lèi)型，即微帶線(xiàn)、接地共面波導(dǎo)（GCPW）和帶狀線(xiàn)電路的橫截面圖（左側(cè)），以及各種電路類(lèi)型的相應(yīng)電場(chǎng)（E）和電流密度（右側(cè)）。

圖1中對(duì)三種電路類(lèi)型的描述較為簡(jiǎn)單，隨著頻率的變化而這種描述會(huì)有所不同。在較高頻率下，由于趨膚效應(yīng)，橫截面圖中所示的電流密度深度將更小，而電場(chǎng)也將較為密集。每個(gè)電路的電磁波（EM）（電場(chǎng)和磁場(chǎng)）將沿著與二維電路圖垂直的方向，由頁(yè)面向外傳播。

這三類(lèi)高頻傳輸線(xiàn)的性能均由介質(zhì)材料決定。在帶狀線(xiàn)電路中，導(dǎo)體被介質(zhì)材料環(huán)繞；在微帶線(xiàn)電路和GCPW電路中，電場(chǎng)延伸到介質(zhì)材料以外，包含電路周?chē)目諝鈽?gòu)成的電路的整個(gè)電磁環(huán)境，因此這兩種電路中的波的傳播的介電常數(shù)（Dk）綜合了基板材料的Dk和空氣的Dk（大約為1）。這種情況下的介電常數(shù)就是所謂的“有效Dk”。

圖1所示的GCPW是一個(gè)緊耦合GCPW電路，在頂部共面電路層的信號(hào)導(dǎo)體之間以及到接地面的間隔較小。間隔或距離較大則為松耦合的GCPW電路。相比較，緊耦合GCPW有較大比例的電場(chǎng)存在于空氣中，而松耦合GCPW有較大比例的電場(chǎng)位于介質(zhì)基板材料內(nèi)（基板材料的Dk高于空氣）。所以由于空氣的影響，緊耦合GCPW的有效Dk低于松耦合GCPW。

電路中可用信號(hào)功率往往會(huì)隨著頻率增加而降低，因此需要密切注意而盡量減少高頻電路中的信號(hào)損耗。保持阻抗匹配是降低高頻電路或系統(tǒng)中的互連元件損耗的關(guān)鍵，例如圖2所示的信號(hào)發(fā)生器和負(fù)載之間的傳輸線(xiàn)。由于信號(hào)能量會(huì)轉(zhuǎn)化成熱量，所以即使發(fā)生器和負(fù)載阻抗匹配，無(wú)源元件（例如高頻傳輸線(xiàn)）也會(huì)由于自身介質(zhì)和導(dǎo)體損耗而出現(xiàn)一定量的插入損耗。但是，當(dāng)阻抗不匹配時(shí)（見(jiàn)圖2b），傳輸連接處的信號(hào)反射再會(huì)引起回波損耗，從而傳輸線(xiàn)的總損耗會(huì)進(jìn)一步增大，如圖從匹配時(shí)的標(biāo)稱(chēng)3dB增加到6dB。當(dāng)必須保證接收端信號(hào)功率時(shí)，插入損耗和回波損耗必須最小化。插入損耗和回波損耗可以用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）測(cè)量，測(cè)量插入損耗時(shí)，將散射（S）參數(shù)測(cè)量設(shè)為S21，而測(cè)量回波損耗時(shí)，將散射（S）參數(shù)測(cè)量設(shè)為S11。



圖2：阻抗匹配時(shí)的傳輸線(xiàn)（a）損耗和阻抗不匹配的傳輸線(xiàn)（b）的損耗。

高頻電路的插入損耗是幾種不同損耗總和，包括導(dǎo)體損耗（導(dǎo)體）、介質(zhì)損耗（基板材料）、輻射損耗（電路的能量輻射）和泄漏損耗（銅層之間的能量泄漏）。這四種損耗中任一種損耗的減少都將降低高頻電路的插入損耗。

泄漏損耗通常是體積電阻率相對(duì)較低的材料的一個(gè)關(guān)注點(diǎn)，例如半導(dǎo)體材料。但是對(duì)于體積電阻率較高的高頻PCB電路材料來(lái)說(shuō)，泄漏損耗通常可以忽略不計(jì)。另一方面，在高功率電路中泄漏損耗可能是一個(gè)值得關(guān)注的問(wèn)題，但對(duì)毫米波電路中的小信號(hào)功率基本也不用考慮。輻射損耗在毫米波頻率下值得關(guān)注的損耗，它可以作為電路總插入損耗研究的一部分模擬計(jì)算。這里我們先以導(dǎo)體損耗和介質(zhì)損耗為主來(lái)討論電路的插入損耗。

將不同厚度電路中的插入損耗進(jìn)行分解，對(duì)于基板介質(zhì)材料較薄的電路，導(dǎo)體損耗占主要部分，此時(shí)信號(hào)與地平面的間隔不大，電場(chǎng)更為集中在導(dǎo)體下方的電路；對(duì)于基板介質(zhì)較厚的電路，信號(hào)與地平面間隔較大，此時(shí)導(dǎo)體損耗占插入損耗比例較小，介質(zhì)損耗占主要部分。圖3顯示了微帶線(xiàn)電路的導(dǎo)體損耗（與介電損耗）如何隨著基板厚度改變的變化情況。



圖3：對(duì)于較厚的電路，導(dǎo)體損耗占微帶線(xiàn)電路的總插入損耗的比例較小。

圖3所示的是使用50Ω微帶線(xiàn)傳輸線(xiàn)電路測(cè)試的總的插入損耗情況。所有電路均使用相同的50Ω設(shè)計(jì)、相同的覆銅基板，僅厚度不同?？梢钥吹剑娐窊p耗的測(cè)試結(jié)果（紫色）與模型計(jì)算（綠色）的總的插入損耗值非常的匹配，進(jìn)一步證實(shí)模型計(jì)算的正確性。同時(shí)也給出在不同厚度下介質(zhì)損耗與導(dǎo)體損耗各自占比的分布和變化情況。

圖3中也顯示了對(duì)于使用相同介質(zhì)材料的電路隨著基板厚度不同的導(dǎo)體損耗的變化。介質(zhì)基板與銅箔的交界面處的銅箔粗糙度也是影響導(dǎo)體損耗的因素。與較光滑的銅箔表面相比，粗糙的銅箔表面會(huì)增加導(dǎo)體損耗。銅箔粗糙度也會(huì)對(duì)電路的Dk值產(chǎn)生影響，銅箔越粗糙，電路的電磁波傳播路徑將增加，形成慢波效應(yīng)，從而使電路上表現(xiàn)出的Dk值高于其標(biāo)稱(chēng)值一樣，增加信號(hào)傳播的相位延時(shí)。

對(duì)高頻設(shè)計(jì)通常需要一個(gè)選擇薄的基板材料，且高頻下低插入損耗是一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。這種情況下，銅箔的類(lèi)型也成為一個(gè)重要的考慮因素，越光滑的銅箔插入損耗越小。例如，在圖3中比較了不同厚度下導(dǎo)體損耗的變化情況，可以看到，在較薄的電路中導(dǎo)體損耗將占電路總插入損耗的大部分。因此，為降低導(dǎo)體損耗可以選擇較光滑的銅箔來(lái)降低導(dǎo)體。盡管如此，仍可以通過(guò)控制介質(zhì)損耗來(lái)降低插入損耗。因此，選用一種損耗因子（Df）較低的材料仍可以降低電路的總插入損耗。例如，圖3中的材料的損耗因子Df為0.0037，如果使用Df為0.0010的材料時(shí)，介質(zhì)損耗（和插入損耗）進(jìn)一步降低。

相位精度

在很多高頻電路中，相位是一個(gè)重要的電氣參數(shù)，尤其是在毫米波應(yīng)用（例如汽車(chē)?yán)走_(dá)和5G無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)）中，相位是許多先進(jìn)調(diào)制方式的基本信息。電路需要保持一致的相位響應(yīng)，從而使雷達(dá)和無(wú)線(xiàn)通信等系統(tǒng)能夠提供可靠信息。電路相位響應(yīng)通常以相位角或相速度來(lái)表征，例如，理想正弦波的電路的一個(gè)周期或波長(zhǎng)的相位角響應(yīng)為360°。圖4舉例說(shuō)明了對(duì)于某一電路材料（Dk值為3.0），在7.6GHz條件下，以360°相位角響應(yīng)或一個(gè)波長(zhǎng)的物理長(zhǎng)度下的微帶線(xiàn)電路為參考，不同的參數(shù)變化對(duì)于相位角的影響。



圖4：在7.6GHz條件下，以一個(gè)周期相位角響應(yīng)或一個(gè)波長(zhǎng)的微帶線(xiàn)電路（最上方的電路）的為參考，不同參數(shù)變化下的相位角響應(yīng)。

如圖4所示，電路設(shè)計(jì)和電路材料特性的微小變化就可能影響相位角響應(yīng)。參考電路的微帶線(xiàn)的物理長(zhǎng)度1英寸，在7.6GHz頻率下剛好是一個(gè)波長(zhǎng)或者相位響應(yīng)360°。因?yàn)椴ㄩL(zhǎng)隨著頻率的增加而下降，所以在兩倍頻率（15.2GHz）下，相同的電路其相位角響應(yīng)為兩個(gè)波長(zhǎng)或720°。對(duì)于7.6GHz條件下的電路的兩個(gè)波長(zhǎng)，則需要一個(gè)2"（50.8mm）的實(shí)際長(zhǎng)度。

高頻電路設(shè)計(jì)通?；谥С痔囟l帶和范圍，電路的物理特性在很大程度上是與波長(zhǎng)相關(guān)的，如四分之一波長(zhǎng)或半波長(zhǎng)特性。圖4所示的參考電路在7.6GHz條件下的一個(gè)波長(zhǎng)為1英寸，隨著頻率的增加而波長(zhǎng)變短，所以非常容易看出，在毫米波頻率下，電路尺寸的微小變化都會(huì)帶來(lái)相應(yīng)的相位差異。

電路材料參數(shù)可能影響電路的相位角響應(yīng)，例如Dk和銅箔粗糙度。例如圖4中的第三個(gè)電路，長(zhǎng)度相同但Dk增大到4.0，相同頻率7.6GHz條件下相位角響應(yīng)變?yōu)?10°。同樣地，隨著電路材料Dk值的降低，相位角響應(yīng)減少。與光滑的銅箔相比，較粗糙的銅箔會(huì)降低波速，增大相位延遲或相位角響應(yīng)（如圖4所示的底部電路）。

基于相位響應(yīng)的毫米波電路，相位角或相位響應(yīng)一致性是一個(gè)重要的性能參數(shù)。雖然1英寸長(zhǎng)度的微帶線(xiàn)電路在7.6GHz條件下的相位角響應(yīng)剛好一個(gè)周期（360°），但對(duì)于77GHz雷達(dá)，在Dk值為3.0的基板材料上加工的具有相同物理長(zhǎng)度的微帶線(xiàn)電路卻有大于4,000°的相位角響應(yīng)，相位角變化對(duì)于電路的微小變化異常敏感。而對(duì)于毫米波雷達(dá)傳感器的性能，即使小至±30°的相位角變化也可能造成雷達(dá)檢測(cè)錯(cuò)誤（例如汽車(chē)防撞系統(tǒng)中的雷達(dá)檢測(cè)）。對(duì)于如在5G NR系統(tǒng)中使用的26GHz和28GHz頻率的頻率越低的毫米波電路，相位響應(yīng)對(duì)于調(diào)制網(wǎng)絡(luò)準(zhǔn)確性同樣重要。頻率越高、波長(zhǎng)越小，電路受相位角變化的影響越大。

毫米波PCB的設(shè)計(jì)

在毫米波頻率，由于波長(zhǎng)短，PCB的性能受很多變量的影響。首先需要考慮是信號(hào)從連接器饋入到PCB上帶來(lái)的影響。在連接器信號(hào)饋入口處的阻抗異常，或阻抗變化可能造成信號(hào)反射、回波升高和畸變。高頻連接器與PCB的連接盡管距離較短，阻抗異常僅發(fā)生在0.1"（2.54mm）左右的距離上，但是該長(zhǎng)度在毫米波頻率下可能與小數(shù)倍波長(zhǎng)相接近，從而造成波形畸變。例如，40GHz下的波長(zhǎng)為0.18"（0.46mm）與0.1"就非常接近，0.1"的變化就可能造成40GHz信號(hào)異常。在較低頻率下，連接器帶來(lái)的阻抗異常影響較小，因?yàn)樵诘皖l率的波長(zhǎng)較長(zhǎng)，該短距離上的影響較少。

在某小數(shù)倍波長(zhǎng)長(zhǎng)度的阻抗異?？赡苡绊懞撩撞娐沸阅埽敲淳唧w多少長(zhǎng)度才算呢？通常，半波長(zhǎng)的阻抗異常通常會(huì)影響性能；四分之一波長(zhǎng)異常也可能影響毫米波電路性能，但是與半波長(zhǎng)相比影響會(huì)小一些較小。通常，八分之一或更長(zhǎng)波長(zhǎng)的阻抗異常將影響波特性，因此，反過(guò)來(lái)講，保持在十分之一或更短波長(zhǎng)距離，可以盡量減少在毫米波頻率下的電路性能問(wèn)題。

在毫米波頻率下，保證基板厚度和導(dǎo)體寬度等電路特性小于相應(yīng)頻率下的十分之一波長(zhǎng)能夠避免產(chǎn)生性能異常，避免不必要諧振。例如，在工作頻率下、具有二分之一波長(zhǎng)厚度的電路基板上制作的毫米波電路會(huì)在信號(hào)層和地層之間產(chǎn)生諧振條件。工作頻率下二分之一波長(zhǎng)的導(dǎo)線(xiàn)寬度也將在電路導(dǎo)體寬度上產(chǎn)生諧振條件。將基板厚度和導(dǎo)體寬度保持在工作頻率下十分之一或更短波長(zhǎng)，可以避免發(fā)生不必要的諧振條件。