【導讀】在高頻電路設計中，可以采用多種不同的傳輸線(xiàn)技術(shù)來(lái)進(jìn)行信號的傳輸，如常見(jiàn)的同軸線(xiàn)、微帶線(xiàn)、帶狀線(xiàn)和波導等。而對于PCB平面電路，微帶線(xiàn)、帶狀線(xiàn)、共面波導（CPW），及介質(zhì)集成波導（SIW）等是常用的傳輸線(xiàn)技術(shù)。但由于這幾種PCB平面傳輸線(xiàn)的結構不同，導致其在信號傳輸時(shí)的場(chǎng)分布也各不相同，從而在PCB材料選擇、設計和應用，特別是毫米波電路時(shí)表現出不同的電路性能。本文將以毫米波下通用的PCB平面傳輸線(xiàn)技術(shù)展開(kāi)，討論電路材料、設計等對毫米波電路性能的影響，以及如何優(yōu)化。
摘要
在高頻電路設計中，可以采用多種不同的傳輸線(xiàn)技術(shù)來(lái)進(jìn)行信號的傳輸，如常見(jiàn)的同軸線(xiàn)、微帶線(xiàn)、帶狀線(xiàn)和波導等。而對于PCB平面電路，微帶線(xiàn)、帶狀線(xiàn)、共面波導（CPW），及介質(zhì)集成波導（SIW）等是常用的傳輸線(xiàn)技術(shù)。但由于這幾種PCB平面傳輸線(xiàn)的結構不同，導致其在信號傳輸時(shí)的場(chǎng)分布也各不相同，從而在PCB材料選擇、設計和應用，特別是毫米波電路時(shí)表現出不同的電路性能。本文將以毫米波下通用的PCB平面傳輸線(xiàn)技術(shù)展開(kāi)，討論電路材料、設計等對毫米波電路性能的影響，以及如何優(yōu)化。
一、設計傳輸線(xiàn)在毫米波電路中的影響
1. 引言
幾年前，毫米波電路還僅僅用于航天、衛星通信、通信回傳等特殊專(zhuān)有的領(lǐng)域。然而，隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的飛速發(fā)展，對更高的數據傳輸速率、更小的傳輸延遲、更寬的帶寬等需求促使毫米波頻段逐漸被用在移動(dòng)通信覆蓋例如，802.11ad WiGig，5G等領(lǐng)域；隨著(zhù)主動(dòng)安全駕駛和未來(lái)無(wú)人駕駛技術(shù)的發(fā)展，汽車(chē)對測距測速的要求越來(lái)越高，毫米波也被使用在如77GHz的汽車(chē)雷達領(lǐng)域。但是，對于設計工程師來(lái)說(shuō)，毫米波電路的設計與低頻段射頻電路設計存在著(zhù)顯著(zhù)的不同。毫米波頻段下不同傳輸線(xiàn)技術(shù)的色散輻射或高次模、阻抗匹配、信號的饋入技術(shù)等都將直接影響電路最終的性能。
2. 常用傳輸線(xiàn)技術(shù)
如圖1中場(chǎng)力線(xiàn)分布，微帶線(xiàn)與GCPW的信號傳播方向上并不存在場(chǎng)分量。但由于這兩種傳輸線(xiàn)的電、磁場(chǎng)并不完全分分布于電介質(zhì)中，有少部分場(chǎng)力線(xiàn)位于空氣中；導致信號在電介質(zhì)中與空氣中傳輸的TEM波的相速不同，其分界面并不能完全實(shí)現相位匹配。因此這兩種傳輸線(xiàn)模式是準TEM波模式。而帶狀線(xiàn)的場(chǎng)力線(xiàn)上下對稱(chēng)分布于中間層介質(zhì)中，因此帶狀線(xiàn)的傳輸模式是TEM波模式。
圖1 微帶線(xiàn)，接地共面波導及帶狀線(xiàn)結構與場(chǎng)分布
SIW (Substrate integrated waveguide) 是近年來(lái)討論較多，介于微帶與介質(zhì)填充波導之間的一種新型傳輸線(xiàn)。SIW兼顧傳統波導和微帶傳輸線(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現高性能微波/毫米波的平面電路。其結構如圖2所示，SIW由上下兩層金屬、左右兩排金屬通孔、以及中間填充的介質(zhì)構成。其將傳統波導結構集成在介質(zhì)基片中，實(shí)際上是一種介質(zhì)填充的波導結構。SIW 中的電磁波被限制在上下金屬層和兩排金屬孔之間的區域傳播。由于電流的分布情況，在SIW中只能傳播TEn0波而不能傳播TM 或TEmn(n≠0)波，與矩形波導相似，SIW 傳輸的主模是TE10模。
圖2 SIW的結構與場(chǎng)分布
幾種PCB平面傳輸線(xiàn)技術(shù)有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。例如SIW傳輸線(xiàn)，它具有如可應用于超高頻段、輻射低、損耗低等優(yōu)點(diǎn)，但由于其設計難度大、加工困難、不易與其他元件集成等缺點(diǎn)，使其相對于其他幾種傳輸線(xiàn)來(lái)說(shuō)并不被廣泛應用。
3. 輻射損耗
對于PCB傳輸線(xiàn)電路，插入損耗主要包括介質(zhì)損耗、導體損耗、輻射損耗和泄露損耗幾個(gè)部分，是各種損耗成分的總和。泄漏損耗通常是由于信號與地之間形成了泄漏電流而導致的能量的損失。由于高頻PCB材料具有較大的體電阻，泄露損耗很小，一般可以忽略。電路的導體損耗是傳輸線(xiàn)上信號路徑的能量損失，是由導體自身的阻抗引起。介質(zhì)損耗則是由構成電路的電路材料的耗散因子所決定，選擇相對較小的損耗因子材料有利于電路總的插入損耗的減小。
對于中低頻段電路，電路的插入損耗主要由導體損耗和介質(zhì)損耗有決定。而隨著(zhù)電路所應用的頻率的不斷升高，信號波長(cháng)變短，特別是在毫米波頻段，傳輸線(xiàn)的非閉合結構，以及傳輸線(xiàn)的橫截面積與線(xiàn)寬等保持不變而使電路的輻射損耗就變得不可忽略。微帶傳輸線(xiàn)盡管相對于上述其他三種在毫米波頻段更容易產(chǎn)生輻射損耗和雜散模，但由于微帶線(xiàn)具有的加工容易、設計簡(jiǎn)單、物理尺寸小、易于集成等諸多優(yōu)點(diǎn)使得其仍然用于毫米波電路。那么在毫米波頻段使用微帶線(xiàn)時(shí)需要如何進(jìn)行優(yōu)化設計呢？
圖3 同種材料不同厚度下微帶線(xiàn)的損耗
電路材料厚度的降低對輻射損耗的減小，也可以看作是減小了電路中寄生雜散模式的產(chǎn)生。電路中所傳輸的信號往往包含多個(gè)頻率分量。由微波電路理論知道，當電路的厚度或寬度大于傳輸信號的1/8波長(cháng)時(shí)，電路將產(chǎn)生雜散模。如圖4所示，當使用的電路材料較厚，設計同一阻抗如50Ω線(xiàn)路也會(huì )較寬，如果這一厚度或寬度與所傳輸信號中的波長(cháng)相比擬時(shí)，電路的性能就將被惡化。以16.6mil RO4350BTM材料設計的50Ω微帶線(xiàn)為例，此時(shí)微帶線(xiàn)的寬度是36mil。這一寬度對應的1/4波長(cháng)的頻率是46.5GHz，而對應的1/8波長(cháng)的頻率是23.8GHz。因此這一電路在高頻段如46.5GHz時(shí)性能較差，而在小于23.8GHz時(shí)的波動(dòng)較小、性能較好。
圖4 電路的波長(cháng)與雜散模
4. 信號饋入的優(yōu)化
毫米波頻段傳輸線(xiàn)的良好線(xiàn)路設計和選材可使電路的性能得到優(yōu)化，但要實(shí)現更好的性能，傳輸線(xiàn)的信號饋入設計也是非常重要的一個(gè)方面。信號饋入設計屬于電路匹配設計的范疇，良好的饋入設計可使信號能量無(wú)損耗和無(wú)反射的流入電路中，進(jìn)一步提升的電路性能。
4.1 微帶線(xiàn)的信號饋入
微帶線(xiàn)和GCPW的信號導體均在電路表層，它們的信號饋入示意圖如圖5所示。當連接器的中心導體PIN與信號導體完全連接時(shí)，增加了信號饋入點(diǎn)出的電容性。由傳輸線(xiàn)理論可以知道，微帶線(xiàn)的特性阻抗與電路的感抗成正相關(guān)，與容抗呈反相關(guān)。電路中電容性的增加會(huì )使線(xiàn)路的阻抗降低，而電容性的減?。姼行栽黾樱?huì )使線(xiàn)路的阻抗增加。當饋入點(diǎn)處呈現較大的電容性時(shí)，可以通過(guò)減小饋入點(diǎn)處線(xiàn)路面積來(lái)減小電容，使其滿(mǎn)足50Ω的完全匹配；同樣，當饋入點(diǎn)處呈現電感時(shí)，通過(guò)增大饋入點(diǎn)處的面積來(lái)增大電容。梯形線(xiàn)或漸變線(xiàn)是常用的增大或減小電容的方式，GCPW的信號饋入也可以相同方式優(yōu)化。
圖5 微帶線(xiàn)/GCPW信號饋入示意圖
選取了Rogers的熱固性材料為例，制作電路進(jìn)行性能對比的實(shí)驗，如圖6所示。左圖是沒(méi)有進(jìn)行優(yōu)化之前的電路，其饋入點(diǎn)處阻抗遠大于50Ω，呈現較大的電感性而處于失配狀態(tài)；此時(shí)電路的帶寬窄，回波損耗在6.8GHz處已達到-15dB；電路的插入損耗值也從6.8GHz開(kāi)始出現較大的波動(dòng)。而右圖是采用漸變線(xiàn)進(jìn)行優(yōu)化后的電路，其饋入點(diǎn)處的阻抗基本與50Ω相接近。此時(shí)電路的帶寬拓展至30GHz附近，而且其插入損耗也基本保持穩定。因此正確處理電路饋入點(diǎn)電感性或電容性的設計，可以使微帶電路的性能得到了優(yōu)化。
圖6 微帶線(xiàn)信號饋入優(yōu)化對比
4.2 GCPW的優(yōu)化設計
GCPW的信號饋入的優(yōu)化設計與微帶線(xiàn)基本相同。但由于GCPW的結構與微帶線(xiàn)結構不同，GCPW兩側地平面過(guò)孔位置對其性能也存在顯著(zhù)影響。選取Rogers的RO4350BTM材料設計不同GCPW傳輸線(xiàn)，如圖7所示。電路均采用相同的信號饋入設計，不同之處在于接地過(guò)孔的位置與間隔。從實(shí)際電路的測試看到，三個(gè)不同電路饋入點(diǎn)阻抗測試基本一致，具有較好的饋入點(diǎn)設計。
圖7不同接地過(guò)孔位置的GCPW性能比較
4.3 帶狀線(xiàn)的信號饋入和優(yōu)化
帶狀線(xiàn)的信號饋入設計與微帶線(xiàn)和GCPW有所不同。因線(xiàn)路不在電路的表層，所以并不能使用表貼式而需要使用PIN針式連接器進(jìn)行連接。如圖8所示，信號的饋入需要通過(guò)PTH過(guò)孔來(lái)完成。其過(guò)孔的設計需要考慮過(guò)孔大小、孔內銅厚、焊盤(pán)大小，孔與接地面之間的間距、以及過(guò)孔長(cháng)度等參數的帶來(lái)的影響。實(shí)驗證明，增加過(guò)孔的大小、銅厚、焊盤(pán)大小以及過(guò)孔長(cháng)度均使過(guò)孔的電容性增加；而過(guò)孔與接地面之間間距增加將會(huì )減小過(guò)孔的電容性，增加電感性。帶狀線(xiàn)的信號饋入連接器通過(guò)PIN針連接過(guò)孔的內壁，可以看著(zhù)是過(guò)孔導體厚度增加，導致了過(guò)孔的電容性變大。在設計和加工中，可以通過(guò)背鉆來(lái)移除部分過(guò)孔內部導體孔壁或增加接地間距的方式，達到減小電容性的目的。
圖8 帶狀線(xiàn)信號饋入示意圖
選取7.3mil RO4350B LoproTM材料與8mil RO4450FTM半固化片制作了50Ω帶狀線(xiàn)電路，并設計不同的信號饋入過(guò)孔來(lái)評估不同設計對電路性能的影響。比較兩個(gè)測試電路，它們具有相同的孔壁銅厚和孔與地接地間隔，而電路2比電路1有更大的過(guò)孔直徑和焊盤(pán)。為減小過(guò)孔的電容性，通過(guò)背鉆，移除了電路2中多余過(guò)孔長(cháng)度，使電路2比電路1能更好的與50Ω形成良好匹配，如圖9所示。對兩個(gè)電路進(jìn)行回波和插入損耗的測試得到，電路2就具有更寬帶的回波損耗和穩定的插入損耗值。其中，電路1的帶寬僅有約12GHz，而電路2的帶寬能達到22GHz。按此思路，進(jìn)一步對信號饋入過(guò)孔完善，可提高電路的工作帶寬而應用于更高頻率的毫米波電路中。
圖9 不同饋入信號過(guò)孔設計的帶狀線(xiàn)性能比較
5. 總結
綜上所述，為使應用于高頻毫米波頻段的PCB平面傳輸線(xiàn)技術(shù)達到最優(yōu)的電路性能，需要考慮PCB選材和設計等多個(gè)影響因素。在電路設計前的選材時(shí)，為控制電路色散或高次模的產(chǎn)生需要考慮較薄的PCB材料；為降低介質(zhì)損耗，應選取較低的材料介質(zhì)損耗；為降低導體損耗，應使用較光滑的銅箔等材料從而得到較好的電路傳輸性能。較窄的導體線(xiàn)寬容易增大加工難度、降低一致性，而不應選用高介電常數材料。在電路設計過(guò)程中，合理選擇不同的傳輸線(xiàn)技術(shù)，以及良好的信號饋入設計可降低信號能量損失，減小信號反射，達到良好的饋入點(diǎn)匹配，從而進(jìn)一步提升傳輸線(xiàn)電路在毫米波頻段下的性能。
二、選擇PCB板在毫米波電路中的影響
毫米波雷達傳感器在眾多傳感器中具有全天候工作的獨特特點(diǎn)，使其在成為汽車(chē)主動(dòng)安全系統（ADAS）中的關(guān)鍵核心部件。毫米波雷達傳感器的性能受多個(gè)因素的影響，而PCB電路材料就是影響傳感器電路性能的關(guān)鍵因素之一。為確保毫米波傳感器具有較高的穩定性和性能一致性，就需要考慮PCB電路材料中的諸多關(guān)鍵參數。本文就PCB電路材料中影響汽車(chē)毫米波雷達傳感器穩定性和一致性的多個(gè)關(guān)鍵參數進(jìn)行了討論，分析了這些參數如何影響傳感器的性能，從而更好的選擇適合于汽車(chē)毫米波雷達的電路材料。
1. ADAS系統中的毫米波雷達
當前，汽車(chē)自動(dòng)駕駛已成為全球業(yè)界的一個(gè)熱門(mén)話(huà)題。各大汽車(chē)制造商及其供應商、科技巨頭公司等紛紛注目并摩拳擦掌進(jìn)入輔助及自動(dòng)駕駛汽車(chē)市場(chǎng)。各國政府也對自動(dòng)駕駛汽車(chē)陸續出臺了相應的法規和標準，以促進(jìn)其快速健康發(fā)展。2017年7月，全新奧迪A8在巴塞羅那的首發(fā)，是全球首款具備了L3級自動(dòng)駕駛功能的量產(chǎn)車(chē)型。
圖1、全球汽車(chē)出貨量的自動(dòng)化程度趨勢
在自動(dòng)駕駛汽車(chē)的不斷發(fā)展過(guò)程中，汽車(chē)的安全性是一切發(fā)展的前提，是真正實(shí)現汽車(chē)自動(dòng)駕駛的關(guān)鍵。各種傳感器需要協(xié)同工作來(lái)實(shí)現車(chē)輛對周?chē)h(huán)境高精度低延時(shí)的監控，而毫米波雷達憑借其可靠的表現(如應對惡劣天氣條件)使能汽車(chē)先進(jìn)駕駛輔助系統(ADAS)的各種功能。這些雷達傳感器幾乎是所有現在正在使用的汽車(chē)先進(jìn)駕駛輔助系統技術(shù)的基礎。
汽車(chē)雷達傳感器主要有短距離和中遠距離雷達傳感器，它們的工作頻率分別是24GHz和77GHz/79GHz。24GHz雷達傳感器的探測距離約50m左右，距離相對較短，主要用于盲點(diǎn)監測（BSD），變道輔助（LCA）等。77GHz雷達傳感器的的探測距離更長(cháng)，可達到160m到230m。相比于24GHz，77GHz雷達傳感器的頻率更高、波長(cháng)變短、系統帶寬更寬，從而提高了距離和速度測量的精度和準確度，主要用于自動(dòng)緊急制動(dòng)（AEB）、汽車(chē)自適應巡航控制（ACC）和前向防撞預警（FCW）等。77GHz汽車(chē)雷達的應用對應于汽車(chē)自動(dòng)化程度的高級階段，隨著(zhù)自動(dòng)駕駛汽車(chē)的發(fā)展，77GHz汽車(chē)雷達傳感器的需求和應用逐漸呈上升趨勢。
圖2、24GHz頻段與77GHz頻段汽車(chē)雷達傳感器的趨勢
對于諸如工作在77GHz/79GHz頻段的毫米波汽車(chē)雷達傳感器，由于其信號的波長(cháng)很短，其電路性能和一致性非常容易受到多方面因素的影響。如何考慮和減小這些因素帶來(lái)的影響，確保雷達傳感器的性能具有較好的一致性就變得非常重要。對雷達傳感器的PCB電路來(lái)講，就需要理解并考慮PCB電路材料的諸多參數以及PCB加工等帶來(lái)的對一致性的影響，從而更好的進(jìn)行電路材料的選擇和電路設計。
2. 電路材料的考慮
汽車(chē)雷達傳感器在毫米波頻段的應用，對于電路設計工程師來(lái)說(shuō)，如何選擇正確的PCB材料是設計電路一開(kāi)始就要面臨的挑戰。毫米波頻段下由于其波長(cháng)較小，電路極易容易發(fā)生色散和產(chǎn)生高次模，因此通?？紤]選擇較薄的PCB電路材料；而電路材料的介電常數和損耗隨頻率的增加也變化非常明顯，因此需要選擇在高頻時(shí)具有穩定介電常數和具有極低損耗的電路材料。而介電常數值的值的選擇不宜較大，較大的介電常數會(huì )使設計的導體線(xiàn)寬較窄，不但增加了電路的導體損耗，而且增加了加工難度。
圖3、普通介質(zhì)材料的Dk/Df隨頻率的變化特性
以上的幾個(gè)考慮因素僅僅是毫米波電路設計的開(kāi)始，這些因素的考慮可以使電路能夠具有較好的性能特性。然而要使成多個(gè)相同的電路都具有一致的和穩定的電路性能，還需要考慮材料的其他多個(gè)因素。
2.1 介電常數一致性
介電常數（Dk）是電路材料最重要的參數之一，也是電路設計者的一個(gè)設計出發(fā)點(diǎn)。在汽車(chē)雷達的陣列天線(xiàn)設計中，包括不同類(lèi)型傳輸線(xiàn)的電路結構尺寸、不同傳輸線(xiàn)的相位差或時(shí)延，以及實(shí)現各單元天線(xiàn)間距控制等都是由材料的介電常數確定的。同一板內的介電常數的變化會(huì )導致汽車(chē)雷達特別是毫米波汽車(chē)雷達的收發(fā)之間存在某一相位差，影響交通中對其他車(chē)輛或速度的檢測精度，造成對其定位產(chǎn)生偏差。同時(shí)，材料不同批次的介電常數的變化更會(huì )引起不同毫米波雷達系統存在差異，影響系統的一致性。
介電常數（Dk）通?？梢苑譃椴牧辖橘|(zhì)的Dk和實(shí)際電路所呈現的介電常數。通常我們把材料介質(zhì)的介電常數稱(chēng)為過(guò)程Dk，而實(shí)際電路所呈現的介電常數稱(chēng)之為設計Dk。選擇過(guò)程Dk容差控制較小的電路材料有利于減小系統性能的差異和變化。然而，對于系統的性能一致性，電路所呈現的總的介電常數（設計Dk）更應該值得考慮。
2.2 銅箔粗糙度
眾所周知，材料所使用銅箔的表面粗糙度對會(huì )對電路的介電常數產(chǎn)生影響。由于銅箔表面粗糙度的存在，使得電磁波在電路中的傳播速度變慢，相對于非常光滑的銅箔表面，其形成了慢波效應，從而使得電路所呈現的介電常數增加。越粗糙的銅箔表面使電路所呈現出的介電常數越大，而越光滑的銅箔表面的電路介電常數越小。同時(shí)，不同厚度的材料，即使選用相同銅箔，越薄的材料上銅箔表面粗糙度對電路介電常數的影響越大，而越厚的材料其影響越小。圖4就顯示了基于相同銅箔下的RO3003TM材料，不同材料厚度所呈現出的不同的電路介電常數（設計Dk）值。
圖4、相同銅箔材料不同厚度的電路介電常數（設計Dk）
大多數的PCB基材都會(huì )壓合幾種不同形式的銅箔，如標準電解銅（Electro Deposited copper），反轉銅（Reverse Treated copper）或壓延銅（Rolled copper）。標準ED銅是通過(guò)電解的方式，在鈦鼓上逐漸電解沉積成不同厚度的銅箔，通常與鈦鼓接觸面較為光滑，而電解液面較為粗糙。RT銅箔也屬于電解銅，只是將與鈦鼓面相接觸銅箔表面經(jīng)過(guò)處理后與基材壓合形成。壓延銅箔是通過(guò)輥軋機碾壓銅塊而得，連續的輥軸碾壓可以得到厚度一致性很好且表面光滑的銅箔。
由于現實(shí)的銅箔生產(chǎn)工藝，銅箔的表面粗糙度值不可能固定不變的，銅箔表面形態(tài)總是以不同的高低起伏展現，如圖5所示。因此對于任何銅箔類(lèi)型，銅箔的粗糙度都存在一定的變化范圍。對于射頻微波應用，Rq或者RMS（均方根）值通常被認為較合理的銅箔粗糙度表征方式。羅杰斯公司的RO3003TM材料是被廣泛應用于77GHz汽車(chē)毫米波雷達的電路材料，對于RO3003TM材料的ED銅箔，其典型的銅箔表面粗糙度的RMS值是 2.0um，銅箔粗糙度變化的典型值約為0.25um。越光滑的銅箔其粗糙度變化的值也就越小。
圖5、銅箔表面形態(tài)圖及不同銅箔粗糙度容差
實(shí)際應用中電路所呈現出的Dk值（設計Dk）不僅需要考慮材料過(guò)程Dk的變化，同時(shí)需要考慮銅箔粗糙度變化帶來(lái)的影響。而常常被大多數工程師所忽略的電路加工過(guò)程也會(huì )造成設計Dk的變化。通常，設計工程師為了更為準確的設計電路而想知道設計Dk值的變化大小，最好的方法就是選取多個(gè)不同批次材料，制作并測試多個(gè)相同電路來(lái)評估其變化。為了更好的說(shuō)明這種變化情況，仍然選取了5mil RO3003TM材料，其時(shí)間跨度達4年的多個(gè)批次制作成50Ω微帶線(xiàn)測試電路的設計Dk。從圖6可以看到，使用銅箔粗糙度RMS值為2.0um的ED銅箔的5mil RO3003TM材料，其在77GHz時(shí)電路的設計Dk的典型值是3.16，變化約0.126；而使用光滑的壓延銅的5mil RO3003TM材料在77GHz是電路的設計Dk典型值是3.055，變化約0.096。這也進(jìn)一步證實(shí)了，材料過(guò)程Dk的容差越小，所使用銅箔的表面越光滑，其最后成品電路的設計Dk值變化越小，電路性能一致性也越好。
圖6、厚度5mil RO3003TM材料不同銅箔下電路Dk值的變化
2.3 介電常數隨溫度變化（TCDk）
電路材料的介電常數會(huì )隨溫度變化而發(fā)生變化，這種隨溫度變化的參數有助于工程師了解電路材料可能會(huì )發(fā)生的性能上的改變。通常把材料介電常數隨溫度的變化定義為T(mén)CDk，其變化越小表示材料（在溫度上）性能越穩定。理想電路材料的TCDk值，即使溫度發(fā)生變化也會(huì )保持固定的Dk值，其TCDk的值為0ppm/℃。然而，在現實(shí)世界中，Dk值是會(huì )隨著(zhù)電路材料溫度的變化而變化的。只有TCDk值非常低的電路材料才能被認為是具有隨溫度穩定Dk的材料，通常TCDk的絕對值要小于50ppm/℃。當某一應用要求電路需要經(jīng)受較大的工作溫度范圍，并且需要始終保持穩定的性能時(shí)---如汽車(chē)雷達傳感器的應用，它就需要始終保持精確的測量精度，且可能工作于不同的工作溫度下---材料的TCDk參數就是需要考慮的關(guān)鍵參數之一。
同一樹(shù)脂體系的兩種材料并不會(huì )具有相同的TCDk特性，例如，雖然PTFE是性能優(yōu)異、低損耗的高頻電路材料，但是基于PTFE的不同電路材料，它的TCDk特性可能就會(huì )有很大差異。一些基于PTFE的電路材料的Dk隨溫度的變化很大，TCDk值達200ppm/℃甚至更高。同時(shí)，一些基于PTFE的線(xiàn)路板材料可以提供接近理想狀態(tài)的TCDk特性。圖7比較了不同種類(lèi)的電路材料的TCDk曲線(xiàn)，明顯看到環(huán)氧樹(shù)脂體系材料具有非常差的TCDk性能；而某些基于特殊陶瓷填充的PTFE材料，就具有較好的TCDk性能。77GHz汽車(chē)毫米波雷達廣泛使用的RO3003TM材料的TCDk值是-3ppm/℃。
圖7、不同種類(lèi)材料的TCDk曲線(xiàn)
通過(guò)設計一組實(shí)驗，比較了高TCDk材料與RO3003TM材料的不同TCDk值帶來(lái)的影響。測試基于設計的長(cháng)度不同的50Ω微帶線(xiàn)電路來(lái)觀(guān)察設計Dk和相位在不同溫度下的變化情況。測試結果如圖8所示，RO3003TM材料由于其具有非常小的TCDk值，在77GHz時(shí)其Dk和電路的相位角幾乎沒(méi)有任何變化。而高TCDk材料在77GHz時(shí)的Dk變化達0.031，相位變化達到17度。當使用高TCDk材料的毫米波汽車(chē)雷達傳感器應用在不同的溫度環(huán)境時(shí)，如此高的Dk和相位變化就會(huì )嚴重影響系統的一致性。
圖8、實(shí)際電路中RO3003TM材料與高TCDk材料的性能比較
2.4 材料的吸濕性
汽車(chē)雷達傳感器相對于其他類(lèi)型傳感器的優(yōu)勢在于可以全天候工作在各種惡劣天氣條件下。因此環(huán)境的變化不僅僅是溫度的變化，還可能工作在不同的濕度環(huán)境中。設計工程師在選擇電路材料時(shí)常常忽略了材料的吸濕性，而事實(shí)上材料的吸濕性對于電路的性能和系統的一致性也是至關(guān)重要的。材料較低的吸濕性可以減小電路中介電常數及損耗的變化，從而使電路保持幾乎相同的電路性能，確保雷達傳感器的定位不會(huì )出現偏差。
羅杰斯的RO3003TM材料能廣泛應用于77GHz汽車(chē)毫米波雷達中，低的吸濕性也是其中的一個(gè)重要原因。這里同樣以5mil RO3003TM材料為例來(lái)比較材料吸濕性對于電路設計Dk和損耗的影響。在基于IPC-TM-650 2.6.2.1國際標準測得的RO3003TM材料的吸濕率僅為0.04%，而所比較的另外一種材料的吸濕率是0.3%。通過(guò)長(cháng)度不同的50Ω微帶線(xiàn)的方式測試電路的介電常數Dk和損耗，可以看到RO3003TM材料在70GHz頻率下時(shí)的Dk和損耗分別僅變化0.005和0.13dB/inch；而具有0.3%高吸濕率的材料的電路Dk和損耗變化達到0.04和0.81dB/inch。如此高的Dk和損耗的變化自然會(huì )引起雷達傳感器性能的不一致性，在實(shí)際應用中造成偏差。
圖9、實(shí)際50Ω微帶電路中RO3003TM材料與高吸水率材料的性能比較
2.5 玻璃布纖維效應
在電路材料中通常會(huì )添加玻璃布來(lái)增加材料的結構強度，這樣有助于提高材料的機械穩定性。但是電路材料中的玻璃布會(huì )影響該材料的介電常數（Dk）隨著(zhù)位置的變化。這種Dk的變化是由玻璃布特有的物理交織結構造成的，發(fā)生在非常小的區域且以周期性的方式呈現。也就是說(shuō)，玻璃布中玻璃纖維編織形的交疊處及小的開(kāi)口空隙區域的Dk值會(huì )有不同，如圖10示例。通常，玻璃布或玻璃纖維的Dk約為6，而開(kāi)口空隙區域的Dk由材料樹(shù)脂體系的Dk值決定，比如3。當存在兩束玻璃纖維相互交疊時(shí)，此時(shí)的Dk值最大；而開(kāi)口空隙區域沒(méi)有玻璃纖維的存在，此時(shí)的Dk最??；僅有單束玻璃纖維是Dk值居中。
圖10、玻璃布纖維相互交疊形成的不同Dk值
當含有此類(lèi)玻璃布的材料僅應用于較低頻率時(shí)，由于信號波長(cháng)較長(cháng)，幾乎對電路性能不會(huì )造成影響。而當材料應用于高頻毫米波頻率時(shí)，電路性能就會(huì )受到一定的影響。以介電常數Dk為3.0、厚度5mil的電路材料為例，當材料應用于77GHz毫米波電路時(shí)，所設計的50歐姆微帶線(xiàn)的寬度是12mil。常見(jiàn)電路材料中大于12mil的玻璃布的交疊與空隙開(kāi)口是非常常見(jiàn)的。在實(shí)際電路中，如圖12左所示，當微帶線(xiàn)分別處于玻璃纖維束或空隙上方時(shí)，由于Dk的不同此時(shí)同一設計的不同電路的阻抗就存在一定差異，從而影響電路的一致性；同樣，即使處于圖11右所示情況，Dk也存在周期的變化，導致同一微帶線(xiàn)電路的阻抗也會(huì )周期的變化，進(jìn)而影響電路的相位，影響系統的一致性。
圖11、線(xiàn)路經(jīng)過(guò)不同區域的Dk的變化
正因為玻璃布帶來(lái)的這種高頻的玻纖效應，為了盡可能減小這種影響，在考慮應用于如77GHz汽車(chē)毫米波雷達的材料時(shí)，應選擇不含有玻璃布的電路材料。
3. 結論
自動(dòng)駕駛汽車(chē)將成為汽車(chē)行業(yè)未來(lái)發(fā)展的重點(diǎn)和方向，而毫米波雷達傳感器的獨特優(yōu)勢使其成為自動(dòng)駕駛汽車(chē)不可缺少的部件，且有助于自動(dòng)駕駛汽車(chē)成為可能。PCB電路材料是毫米波雷達傳感器的基礎，選擇穩定介電常數、低損耗特性的材料是設計毫米波雷達傳感器的出發(fā)點(diǎn)。然而為了使雷達傳感器具有穩定一致的電路性能，材料所使用銅箔類(lèi)型及銅箔的表面粗糙度、介電常數隨溫度的變化、材料的吸濕性、以及材料是否含有玻璃布而帶來(lái)玻纖效應等都需要考慮，從而確保傳感器對物體和速度的精確檢測和定位。
（來(lái)源：電子工程專(zhuān)輯，作者：羅杰斯公司 技術(shù)市場(chǎng)工程師 袁署光）
免責聲明：本文為轉載文章，轉載此文目的在于傳遞更多信息，版權歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權問(wèn)題，請聯(lián)系小編進(jìn)行處理。
