PCBA-Technologie - ​ Auswahl von Leiterplattenmaterialien für Leiterplattenantennen mit niedrigem PIM

Leiterplattenmaterialien mit verschiedenen guten Eigenschaften können die Anforderungen moderner drahtloser Kommunikationssysteme erfüllen und die Grundlage für Leiterplattenantennen mit geringer Verzerrung...

Obwohl die Antennen unterschiedliche Fürmen und Größen haben, können Leiterplatten-Antennen (PCB) ihre Leistung unverändert halten und gleichzeitig ihre Größe erheblich reduzieren. Natürlich müssen Antennen (einschließlich PCB-basierter Antennen) so konstruiert und hergestellt werden, dass sie minimale passive Intermodulation (PIM)-Indikatoren gewährleisten, um in der heutigen überfüllten Signalumgebung die beste Leistung erbringen zu können.

Bei PCB-Antennen, obwohl der niedrige PIM-Index hauptsächlich mit dem Antennendesign zusammenhängt, hat das Leiterplattenmaterial auch einen großen Einfluss auf die gesamte PIM-Leistung der PCB-Antenne, so dass es auch notwendig ist, zu überlegen, wie man Hochfrequenz- (RF)/Mikrowellen-Schaltungsmaterialien wählt.

PIM ist ein nichtlinearer diodenähnlicher Effekt. Wenn zwei oder mehr Signale kombiniert werden (z.B. von verschiedenen Sendern), werden unnötige Oberschwingungssignale erzeugt. Wenn der Pegel dieser zusätzlichen Oberschwingungssignale hoch genug ist und in den Empfangsfrequenzbereich des Empfängers fällt, kann dies Probleme verursachen und die normale Erkennung von Signalen im Frequenzband durch den Empfänger stören. Obwohl PIM nicht jede Anwendung beeinflusst, kann es den normalen Betrieb des drahtlosen Kommunikationssystems beeinträchtigen, insbesondere wenn es versucht, Signale mit niedrigerem Pegel wiederherzustellen.

Leiterplattenantenne

Hochfrequenzantennen in Form von Leiterplatten können viele verschiedene Strukturen haben, Von einfachen Dipolen bis hin zu komplexen Strukturen auf Basis von Ringresonatoren und Rotman Linsen. Einer der beliebtesten Leiterplattenantennen ist die Microstrip Patch Antenne, which can design a simple and compact antenna structure within a specific frequency range (see Figure 1). Viele Produkte verwenden mehrere PCB Patch antennas or resonant structures to realize beamforming network (BFN) or phased array antennas, und steuern die Amplitude und Phase ihrer dünnen Leiterplattenantenne Strukturen für Radar oder Kommunikationssysteme durch elektronische Anpassungen. Und Richtung.

Bei der Millimeterwellenfrequenz (mmWave) ziehen auch kompakte planare Leiterplattenantennen immer mehr Aufmerksamkeit auf sich. Zum Beispiel verwendet das fortschrittliche Fahrerassistenzsystem 77GHz (ADAS), das in elektronischen Sicherheitssystemen für Automobile verwendet wird, diese Antenne, um Totwinkelerkennung und automatische Bremssysteme und Anti-Kollision-Funktionen zu erreichen. Aufgrund der geringen Signalleistung dieses Systems müssen sich ADAS-Empfänger auf ihre hohe Empfindlichkeit verlassen, um Radar-Echos zuverlässig zu erkennen, die von Fußgängern und anderen Fahrzeugen reflektiert werden.

Die Microstrip-Patchantenne strahlt elektromagnetische Energie (EM) beim Senden in den freien Raum und überträgt die elektromagnetische Energie beim Empfang an einen angeschlossenen Stromkreis (z.B. einen Empfänger). Aber der Patch ist nur ein Bestandteil der PCB-Antenne, und der Feeder stellt einen weiteren wichtigen Teil dar. Der Feeder fungiert als Brücke zwischen dem angeschlossenen Mikrostreifenkreis und dem ausstrahlenden Patch, um elektromagnetische Energie zu übertragen und zu empfangen. Idealerweise sollte das Pflaster eine hohe Strahlung aufweisen, während der Feeder eine geringe Strahlung aufweist, um die effektive Übertragung der Energie vom Stromkreis zum Pflaster zu realisieren.

PIM-Strategie

Antennen mit höherem PIM können Datenverluste in drahtlosen Kommunikationssystemen (wie 4G LTE drahtlosen Netzwerken) verursachen. Diese Art von Netzwerk beruht auf dem Distributed Antenna System (DAS), um die drahtlose Abdeckung zu erweitern, und das entstehende 5G-drahtlose Netzwerk ist trotz seiner höheren Frequenz tatsächlich dasselbe.

Für die Trägersignalfrequenzen f1 und f2 in den beiden Frequenzbändern im Transceiversystem ist PIM ein Mischprodukt aus nf1-mf2 und nf2-mf1, wobei n und m ganzzahlig sind. Solche abgeleiteten PIM-Oberschwingungen können nach bestimmten Regeln klassifiziert werden, und die Reihenfolge wird durch die Summe von m und n bestimmt, wie die Komponenten dritter Ordnung von 2f1-f2 und 2f2-f1 (Abbildung 3). Intermodulationsprodukte dritter Ordnung sind beachtenswert, da sie dem Trägersignal am nächsten sind und in das Frequenzband des Empfängers fallen können, und wenn die Komponenten eine höhere Leistung haben, können sie Empfangssperren verursachen.

Die Amplitude der PIM-Oberschwingungskomponente ist nicht nur eine Funktion der Amplitude von f1 und f2, sondern auch eine Funktion ihrer PIM-Ordnung. Die Amplitude der PIM-Oberschwingungskomponenten nimmt mit zunehmender Reihenfolge ab. Daher sind die Oberschwingungsleistungen der fünften, siebten und neunten Ordnung in der Regel gering und beeinflussen die Empfängerleistung nicht.

Wie niedrig ist der Leistungspegel als niedrig einzustufen? Dieser Wert kann von System zu System variieren. Für 4G LTE-Systeme, die einige passive Komponenten (wie Steckverbinder und Kabel) verwenden, die in DAS-Geräten enthalten sind, ist -145dBc normalerweise niedrig genug. Generell gilt -140dBc oder höher als schlechte PIM-Leistung, während -150dBc normalerweise besser ist und -160dBc noch besser ist.

Bei der Messung des PIM-Pegels von Antennen und anderen passiven Komponenten in einem speziell entworfenen Mikrowellenschallraum kann der Geräuschpegel bis -170dBc den Geräuschpegel der Dunkelkammer-Testumgebung überschreiten. Wenn zwei +43dBm Einzeltonsignale zur Messung verwendet werden, beträgt der tatsächliche Rauschpegel der meisten PIM-Test-Dunkelkammern -165dBc.

Wenn dieselbe Antenne einen gemeinsamen Feeder verwendet, um Sende- und Empfangsfunktionen zu erreichen, ist ein niedriges PIM besonders wichtig. Da sich Sender und Empfänger gleichzeitig im selben System befinden, führen die nichtlinearen Produkte mehrerer übertragener Signale immer zu unerwünschten gegenseitigen Stimmwellen, deren Amplitude oft ausreicht, um die Leistung des Empfängers zu beeinträchtigen. Das Verständnis der Auswirkungen verschiedener Materialeigenschaften auf PIM kann die Auswirkungen von PIM auf PCB-Antennen reduzieren.

Obwohl PIM in den meisten Fällen durch ungleichmäßige Materialien in Schaltungsknoten (wie Lötstellen oder Steckverbinder) verursacht wird, können auch die Eigenschaften von Leiterplattenmaterialien, wie raue Kupferfolienoberflächen und verschiedene Arten von galvanischen Oberflächenbehandlungen, beeinträchtigt werden. Erzeugen Sie niedrigere oder höhere PIM-Werte. Bestimmte Parameter in den Leiterplattenmaterialien können als Referenz für das Design von Leiterplattenantennenen mit niedrigem PIM verwendet werden.

Antennen und andere passive Bauteile aus Leiterplattenmaterialien wird auch Auswirkungen auf die PIM-Leistung nach der Oberflächenbeschichtung haben. Ferromagnetic materials (such as nickel) seriously affect the performance of PIM. Immersionsverzinnung hat im Allgemeinen eine bessere PIM-Leistung als blanke Kupferschaltungen, while circuits using chemical nickel gold (ENIG) will have poorer PIM performance due to nickel.

Die Sauberkeit der Schaltungsoberfläche trägt zur Verringerung der PIM-Leistung von Mikrostreifenantennen und anderen passiven Komponenten bei. Schaltungen mit Lötmasken haben in der Regel eine bessere PIM-Leistung als blanke Kupferschaltungen. Saubere Kreisläufe und rückstandsfreie nasschemische Behandlung sind wichtige Grundlagen zur Reduzierung der PIM-Leistung. Jede Form von ionischen Verunreinigungen oder Rückständen im Kreislauf kann zu schlechter PIM-Leistung führen.

Ebenso ist die Ätzqualität der Schaltung sehr wichtig, um die PIM-Leistung zu verbessern. Wenn der Kupferfolienleiter nicht ausreichend korrodiert ist, was Rauheit und Grate am Rand der Schaltung verursacht, kann diese Situation auch die PIM-Leistung beeinträchtigen.

Solange das Material der Leiterplatte sorgfältig ausgewählt ist, ist es möglich, die PIM-Leistung von passiven Komponenten oder Schaltungen zu verbessern. Selbst wenn Materialien mit niedrigem PIM verwendet werden, können bestimmte Arten von Schaltungen ihre PIM-Leistung möglicherweise nicht verbessern, da ihre Struktur anfälliger für PIM ist. Zum Beispiel verwendete Rogers Corp. 32,7 Millionen dickes RO4534 Leiterplattenmaterial, um verwandte Experimente durchzuführen. Die Eigenschaften dieses Antennenlaminats sind: Dk von 3,4, Toleranz von ±0,08 und ein niedriger Verlustfaktor (geringer Verlust) von 0,0027 bei 10 GHz.