Technologie PCB - Influence de la structure du PCB sur les performances du radar à ondes millimétriques

Les couches diélectriques des circuits imprimés composites courants (PCB) utilisent principalement de la fibre de verre comme matériau de remplissage, mais la constante diélectrique locale (DK) de la carte PCB change en raison de la structure tissée spéciale de la fibre de verre. En particulier aux fréquences d'ondes millimétriques (mmwave), l'effet de tissage du verre sera plus prononcé pour les stratifiés plus minces et l'inhomogénéité locale de DK entraînera une variation significative des performances du circuit RF et de l'antenne. L'influence de la structure de PCB sur les performances de la ligne de transmission a été étudiée à l'aide d'un stratifié de polytétrafluoroéthylène (PTFE) tissé de verre de 100 µm d'épaisseur. La constante diélectrique du PCB fluctue entre 0,01 et 0,22 selon les différentes structures de tissage du verre. Afin d'étudier l'influence de différentes structures de tressage de verre sur les performances de l'antenne, des antennes réseau microruban à alimentation en série ont été réalisées sur des stratifiés commerciaux Rogers ro4835 et ro4830, respectivement, Les résultats expérimentaux ont montré que: antenne usinée avec un stratifié ro4830, les performances électriques calculées par tolérance normale sont plus cohérentes avec les valeurs calculées, moins variables, le coefficient de réflexion (S11 & lt; - 10 dB) et les performances de gain de l'axe de vision sont meilleures.

Les voitures autonomes sont le point chaud actuel de la recherche. Il peut aider les conducteurs et les piétons à éviter les accidents potentiellement mortels et est très exigeant en termes de fiabilité. Il nécessite donc également une grande fiabilité de ses circuits. Le radar à ondes millimétriques offre une solution fiable pour la détection de cibles en conduite autonome grâce à sa structure compacte et à sa sensibilité élevée à la détection environnementale. Parmi les systèmes de radar à ondes millimétriques disponibles dans le commerce pour les fréquences de 76 à 81 GHz, les antennes à microplaques alimentées en série sont réputées pour leur conception facile, leur structure compacte et leur capacité à être fabriquées en grandes quantités à faible coût [1]. Plus la fréquence est élevée, plus la longueur d'onde est faible, de sorte que les lignes de transmission et les antennes fonctionnant à des fréquences millimétriques seront plus petites que celles fonctionnant à des fréquences inférieures. Pour garantir des performances idéales des radars embarqués, il est nécessaire d'étudier l'impact des PCB sur les lignes de transmission et les antennes à patch microruban. Pour les circuits à ondes millimétriques [2] qui fonctionnent dans des environnements extérieurs pendant de longues périodes (influencés par la température et l'humidité), la cohérence des indicateurs de performance des matériaux est une considération primordiale lors du choix des circuits imprimés. Cependant, les feuilles de cuivre, les renforts en fibre de verre, les charges céramiques et autres matériaux qui composent le stratifié peuvent avoir un impact important sur la cohérence de l'indice à haute fréquence.

Cet article examine principalement l'influence de la structure des PCB sur les performances des radars à ondes millimétriques. La couche diélectrique de la plupart des stratifiés PCB est généralement formée par enduction d'une résine polymère sur un tissu de fibre de verre. Aux fréquences millimétriques, l'influence du tissu de fibre de verre sur la cohérence des propriétés du matériau est très visible, car la largeur du faisceau de verre est équivalente à celle de la ligne de transmission. De plus, lors de l'utilisation d'un laminé de ligne PCB mince (par exemple, 100 µm) pour la conception d'antennes microruban, les tresses de verre entraînent des changements importants dans les propriétés de l'antenne et réduisent le rendement de l'usinage.

Composition du stratifié

Le stratifié consiste généralement à associer un tissu de fibres de verre à une résine polymère pour former une couche diélectrique, puis à recouvrir de part et d'autre d'une feuille de cuivre. La constante diélectrique typique (DK) du tissu de verre est plus élevée, de l'ordre de 6,1, tandis que celle des résines polymères à faibles pertes est comprise entre 2,1 et 3,0, de sorte que DK varie dans une petite plage. La figure 1 représente une vue microscopique de dessus et une vue en coupe transversale des fibres tissées de verre dans un stratifié. Le circuit au - dessus du "faisceau de charnières" a un DK élevé en raison de sa teneur élevée en fibres de verre, tandis que le circuit au - dessus de l '"ouverture du faisceau" a un DK faible en raison de sa teneur élevée en résine. De plus, les caractéristiques du tissu de verre sont influencées par l'épaisseur du tissu de verre, la distance entre les tissus, la façon dont le tissu est aplati et la teneur en verre de chaque axe.

La constante diélectrique du stratifié à 10 GHz est de 3,48 et la tangente de l'angle de perte est de 00037 (d'après les tests de la norme IPC TM - 650 2.5.5.5). En outre, le stratifié ro4830 a une constante diélectrique de 3,24 et une tangente d'angle de perte de 00033 (basé sur le test standard ipctn - 650 2.5.5.5). Le stratifié ro4835 est fabriqué à partir d'un tissu de verre asymétrique tissé standard de type 1080 et renforcé avec un rembourrage en céramique. En revanche, le stratifié ro4830 est renforcé par des fibres de verre à ouverture plate de type 1035 tissées et remplies de plus petites particules de céramique. Le tableau 3 compare en outre les caractéristiques des stratifiés à base de ro4835 et ro4830.

Comme le montrent les figures 5 (A) et (b), on choisit une antenne qui, après traitement, respecte les dimensions de la conception et dont la ligne de transmission d'antenne est alignée avec la « zone de jonction de faisceau articulé » et la « zone d'ouverture de faisceau » du stratifié ro4835. Comme l'illustre la figure 5 (c), le stratifié ro4830 utilisant une structure de tressage de verre à fibres ouvertes Plates, il n'est pas nécessaire de considérer si les conducteurs sont alignés avec le tissu de verre du stratifié ro4830. Le coefficient de réflexion (S11) et le gain d'axe optique de l'antenne usinée ont été mesurés séparément.

Figure 5 antenne alignée avec "zone de jonction de faisceau de charnière" et "zone d'ouverture de faisceau" sur le stratifié ro4835 et échantillon d'antenne sur le stratifié ro4830

Par souci de simplicité, les résultats présentés ici proviennent de la moyenne des données de test de plusieurs antennes testées et les résultats des mesures sont comparés aux résultats de la simulation. La figure 6 représente les résultats d'un test d'antenne (cinq échantillons) sur un stratifié ro4835. Le coefficient de réflexion (S11) et le gain axial de la "zone de croisement du faisceau du noeud de direction" et de la "zone d'ouverture du faisceau" ont été sensiblement modifiés. Les performances de l'antenne sur le ro4835 dépendent de l'alignement du fil avec la "zone de connexion du charnon" et la "zone d'ouverture du faisceau". De plus, le gain d'antenne change

S varie avec la fréquence, indiquant que la constante diélectrique varie également. De plus, le décalage vers les fréquences plus élevées indique une constante diélectrique plus faible.

Figure 6 Comparaison des résultats de mesure avec les résultats de simulation d'échantillons d'antennes "zone de jonction de faisceau de charnière (KB)" et "zone d'ouverture de faisceau (BO)" du stratifié ro4835

En comparant les performances de l'antenne sur le stratifié ro4830 représenté sur la figure 7, les performances de l'antenne obtenues dans le test sont très cohérentes et plus cohérentes avec les valeurs simulées du stratifié ro4830. La cohérence des mesures avec les résultats simulés montre que la constante diélectrique du stratifié a changé. En revanche, dans le laminé ro4835 tressé standard, le gain d'axe apparent a changé de 4 DB, alors que dans le laminé ro4830 tressé à ouverture plate, il n'a changé que de 2 db. Grâce à cette expérience simple, il est possible d'obtenir des performances d'antenne plus constantes, telles que la réflectivité et le gain Axial, en utilisant un stratifié Rogers ro4830 avec une structure tissée en fibre de verre à ouverture plate.

Figure 7 Comparaison des résultats de mesure et de simulation d'un échantillon d'antenne sur un stratifié ro4830

Conclusion

La structure du stratifié affecte les performances des lignes de transmission et des antennes. La construction du tissu de verre modifie également la constante diélectrique du stratifié, ce qui réduit les performances du produit et affecte le taux de finition du produit. Les antennes usinées avec le stratifié ro4830 ont une meilleure cohérence de performance par rapport au stratifié ro4835. L'amélioration des performances de l'antenne et du taux de finition de l'usinage est principalement due à la structure du matériau du stratifié, c'est - à - dire au tissage du verre avec des fibres ouvertes Plates, à une teneur en verre moindre (conducteurs éloignés des fibres de verre), à des substrats plus épais, etc. L'amélioration des performances de l'antenne est également liée aux propriétés électriques du matériau, comme dans le cas du stratifié ro4830, Il a une constante diélectrique plus faible et une valeur de tangente d'angle de perte plus faible. Ainsi, les performances et la cohérence des antennes traitées par le stratifié Rogers ro4830 sont meilleures que celles traitées par le stratifié ro4835 dans l'application des radars à ondes millimétriques de faible longueur d'onde.