Mikrowellen-Technik - Permittivität und Verlustfaktor von RO4350B Blatt bei 24GHz

Die dielektrische Konstante von RO4350B ist relativ stabil. Der Standardwert bei 10 GHz beträgt 3,48 und die dielektrische Konstante nimmt mit zunehmender Frequenz ab. Bei 24 GHz ist die dielektrische Konstante 3.47, die 0.01 niedriger als der Wert bei 10 GHz ist.

Im Allgemeinen werden Hochfrequenz-PCB-Platten aus den folgenden Aspekten ausgewählt: niedrige dielektrische Konstante, niedriger Verlustfaktor, Frequenz- und Temperaturstabilität und Kosten (Materialkosten, Design-Test-Herstellungskosten). ROGERS Firma RO4350B ist ein verlustarmes Material für Kohlenwasserstoffharz und keramische Füllstofflaminate und Prepregs, mit ausgezeichneter Hochfrequenzleistung (allgemein anwendbar unter 30GHz). Da RO4350B Standard Epoxidharz/Glas (FR-4) Verarbeitungstechnologie für die Verarbeitung verwendet, hat es auch niedrige Produktionskosten. Es kann gesagt werden, dass RO4350B die Optimierung der Kosten und der Hochfrequenzleistung erreicht hat und das kosteneffektivste verlustarme Hochfrequenzblatt ist. Um die Entwurfsanforderungen besser zu realisieren, untersuchte der Autor die Einfügedämpfung der Microstrip-Übertragungsleitung basierend auf RO4350B-Blatt bei 24GHz beim Entwurf der Microstrip-Array-Antenne.

Analyse der Einbringungsverluste in Mikrostreifenlinien

Microstrip Line Insertion Loss umfasst hauptsächlich Leiterverlust, dielektrische Verlust, Oberflächenwellenverlust und Strahlungsverlust, von denen Leiterverlust und dielektrische Verlust die wichtigsten sind. Der Hauteffekt bewirkt, dass sich der Hochfrequenzstrom auf der Mikrostreifenleitung auf die dünne Schicht konzentriert, in der das Leitungsband und die Erdungsplatte in direktem Kontakt mit dem dielektrischen Substrat stehen, und der äquivalente Wechselstromwiderstand viel größer ist als der niederfrequente Fall. Bei der Arbeit unter 10GHz ist der Leiterverlust der Mikrostreifenleitung viel größer als der dielektrische Verlust. Wenn die Arbeitsfrequenz auf 24GHz ansteigt, übersteigt der dielektrische Verlust den Leiterverlust.

Abbildung 1 zeigt den Einfügeverlust von Mikrostreifenlinien unterschiedlicher Länge, berechnet durch HFSS. Die dielektrischen Substrate sind alle RO4350B mit einer Dicke von 20 mils. Es kann von der Abbildung gesehen werden, dass die Einfügedämpfung der Mikrostreifenleitung etwa 17dB/m ist, und die Metallverluste, dielektrische Verluste und andere Verluste 4.47dB/m, 11.27dB/m, 1.26dB/m, jeweils sind. Als Vergleich zeigt Tabelle 1 den Einfügeverlust der Mikrostreifenlinie, berechnet durch MWI2016. Es ist zu sehen, dass der berechnete Wert von MWI 24,4dB unter den gleichen Bedingungen beträgt. Der dielektrische Verlustwert ist nahe, aber der Leiterverlustwert ist 7dB unterschiedlich. Der Grund für den Unterschied liegt darin, dass die Oberflächenrauheit des Leitungsbandes und der Erdplatte im HFSS-Modell nicht berücksichtigt wird. Die HFSS-Berechnungsergebnisse der Einfügedämpfung der Mikrostreifenlinie sind wie folgt:

Maßnahmen zur Verringerung des Einfügeverlustes der Mikrostreifenleitung

1) Wählen Sie die Dicke des Brettes vernünftig und verwenden Sie grünes Öl mit Vorsicht

Wie aus Tabelle 1 ersichtlich ist, nimmt der Leiterverlust der Mikrostreifenleitung mit der gleichen charakteristischen Impedanz mit der Zunahme der dielektrischen Dicke ab, während der dielektrische Verlust im Grunde unverändert bleibt. Der Grund ist, dass je dicker das dielektrische Substrat, desto schmaler die Mikrostreifenleitungsbreite, desto konzentrierter Hochfrequenzstrom und desto größer der Leiterverlust. Es ist erwähnenswert, dass das grüne Ölmedium einen großen Verlust Tangens Winkel bei 24 GHz hat, der den Einfügungsverlust der Mikrostreifenlinie erhöht. Daher ist es beim Entwurf einer 24GHz Microstrip Antenne notwendig, das Fenster mit Lötmaske im Antennenbereich zu öffnen. Die MWI2016 Berechnungsergebnisse der Einfügeverluste der Mikrostreifenlinie sind wie folgt:

2) Bevorzugte LoPro Kupferfolie

Die Oberflächenrauheit des leitfähigen Bandes und der Kupferfolie der Masseplatte ist ebenfalls ein wichtiger Faktor, der den Einfügeverlust der Mikrostreifenleitung beeinflusst. Je glatter die Oberfläche der Kupferfolie, desto geringer der Leiterverlust. RO4350B bietet zwei Arten von Kupfer plattiert: elektrolytische Kupferfolie (ED) und umkehrbehandelte Kupferfolie mit geringer Rauheit (LoPro). Die Oberflächenrauheit der ED-Kupferfolie beträgt etwa 3um, und LoPro Kupferfolie kann 0.4um erreichen, so dass sie den Leiterverlust effektiv reduzieren kann. Abbildung 2 zeigt den Vergleich der Einfügungsverluste dieser beiden Kupferfolien. Die Dicke des dielektrischen Substrats beträgt 0.1mm. Aus der Abbildung ist ersichtlich, dass die Einfügedämpfung der LoPro Kupferfolie Microstrip Linie bei 24GHz 40% kleiner ist als die der ED Kupferfolie. Der Vergleich der Einführungsverluste von elektrolytischem Kupfer und umgekehrtem Kupfer ist wie folgt:

3) Zumutbar

Oberflächenbehandlungsverfahren auswählen

Der Oberflächenbehandlungsprozess ist auch einer der Faktoren, die den Leiterverlust beeinflussen. Es gibt vier gängige Oberflächenbehandlungsverfahren, die in Immersionssilber, Immersionsgold (Nichtnickelgold), Nickelgold (Nickel 3-5um, Gold 2.54-7.62um) und Immersionszinn unterteilt sind. Tabelle 2 zeigt die elektrischen Parameter dieser Metalle. Nickel ist ein ferromagnetisches Material mit einer magnetischen Permittivität von 600. Gemäß der Formel für die Hauttiefenberechnung ist die Hauttiefe von Nickel eine Größenordnung kleiner als die anderer Metalle, so dass der Oberflächenwiderstand von Nickel dutzende Male größer ist als der anderer Metalle, was dazu führt, dass der Leiterverlust des Nickel-Gold-Prozesses viel größer ist als andere Prozesse. Abbildung 3 vergleicht den Einfügeverlust von blankem Kupfer, Immersionssilber und Nickel-Gold Oberflächenbehandlungsprozessen, und die Substratdicke beträgt alle 20 Mio. Aus der Abbildung ist ersichtlich, dass die Einfügeverluste des Immersionssilberprozesses denen von blankem Kupfer ähnlich ist, aber die Einfügeverluste der Mikrostreifenlinie nach der Nickel-Gold-Oberflächenbehandlung ist 4dB/m (10GHz) größer. Es ist absehbar, dass dieser Unterschied bei 24GHz noch größer sein wird. Groß. Die elektrische Leitfähigkeit, magnetische Permittivität und Hauttiefe verschiedener Metalle werden mit der Einführungsverluste des Nickel-Gold-Prozesses und des blanken Kupfers verglichen, wie in der Abbildung gezeigt:

Zusammenfassend müssen wir, wenn wir dielektrische Substrate RO4350B PCB verwenden, um 24GHz Mikrostreifenantennen oder Mikrostreifenschaltungen zu entwerfen, die Dicke der dielektrischen Platine, die Art der Kupferbeschichtung und den Oberflächenbehandlungsprozess entsprechend den Leistungs- und Kostenanforderungen berücksichtigen. Das Fazit gilt auch für die meisten Boards der Rogers RO4000 und RO3000 Serie.