Technologie PCB - Effet de la structure du PCB sur le radar à ondes millimétriques

Les couches diélectriques des circuits imprimés composites courants (PCB) utilisent principalement de la fibre de verre comme charge. Cependant, en raison de la structure tressée spéciale de la fibre de verre, la constante diélectrique locale (DK) du PCB change. En particulier aux fréquences d'ondes millimétriques, l'effet de tissage du verre est plus prononcé que dans les stratifiés minces, et l'hétérogénéité locale du DK entraîne une modification sensible des performances du circuit RF et de l'antenne. L'influence de la structure PCB sur les performances de la ligne de transmission a été étudiée à l'aide d'un stratifié de polytétrafluoroéthylène (PTFE) tissé de verre d'une épaisseur de 100 µm. Selon les différents types de structure tissée de verre, la permittivité diélectrique de la plaque PCB fluctue entre 0,01 et 0,22. Afin d'étudier l'influence de différentes structures de tressage de verre sur les performances de l'antenne, des antennes réseau à microplaques alimentées en série ont été fabriquées sur les stratifiés commerciaux ro4835 et ro4830 de Rogers, respectivement, Les résultats expérimentaux montrent que les propriétés électriques de l'antenne réalisée avec le stratifié ro4830 sont conformes aux tolérances normales, plus cohérentes avec les valeurs calculées, moins variables, avec un bon coefficient de réflexion (S11 < â 10 dB) et des performances de gain los.

La conduite autonome est un point chaud de la recherche actuelle. Il peut aider les conducteurs et les piétons à éviter les accidents potentiellement mortels et est très exigeant en termes de fiabilité. Il est donc nécessaire que le circuit soit hautement fiable. 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 commerciaux de 76 à 81 GHz, les antennes à microplaques alimentées en série sont populaires pour leur conception simple, leur structure compacte, leur production en série et leur faible coût. Plus la fréquence est élevée, plus la longueur d'onde est petite. Ainsi, les lignes de transmission et les antennes fonctionnant à des fréquences millimétriques seront de plus petites dimensions que les basses fréquences. 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 d'une carte PCB. 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 plus important sur la cohérence des indicateurs à haute fréquence.

Application des radars à ondes millimétriques

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. L'effet du tissu de fibre de verre sur l'uniformité des propriétés du matériau est très évident à la fréquence millimétrique, car la largeur du faisceau de verre est égale à celle de la ligne de transmission. En outre, lors de la conception d'une antenne microruban à l'aide d'un mince (par exemple, 100 µm) PCB Line laminate Board, le tissu tissé de verre peut entraîner des changements importants dans les performances de l'antenne et réduire le taux de finition de l'usinage.

Composition du stratifié

Le stratifié est généralement réalisé à partir d'un tissu de fibre de verre et d'une résine polymère formant une couche diélectrique, puis recouverte d'une feuille de cuivre des deux côtés. La constante diélectrique typique (DK) d'un tissu de verre est élevée, de l'ordre de 6,1, tandis que celle d'une résine polymère à faibles pertes est comprise entre 2,1 et 3,0, de sorte que la DK présente une certaine différence dans une petite surface. 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 direction a un DK plus élevé en raison de sa teneur plus élevée en fibres de verre, tandis que le circuit sur l'ouverture du faisceau a un DK plus faible en raison de sa teneur plus élevée en résine. En outre, les propriétés du tissu de verre sont également influencées par l'épaisseur du tissu de verre, la distance entre les tissus, la méthode d'aplatissement du tissu et la teneur en verre de chaque axe.

Les deux motifs de tissage typiques 1080 et 1078 d'un tissu de verre mince sont généralement utilisés dans les stratifiés minces pour des applications à ondes millimétriques, comme illustré sur la figure 2. Tissu de verre déséquilibré pour le tissage standard 1080. Un axe a une teneur en verre plus élevée que l'autre. Par rapport au tissu 1080, la tresse en fibre de verre à ouverture 1078 a un plan de fibre de verre plus uniforme, de sorte que le DK varie moins sur l'ensemble du stratifié. Par rapport aux stratifiés en tissu de verre multicouche, les valeurs DK des stratifiés en tissu de verre monocouche varient plus significativement. En outre, les stratifiés contenant des charges céramiques peuvent réduire les variations de DK induites par les différentes méthodes de tissage du tissu de verre.

Vue microscopique des structures en tissu de verre 1080 (Open balourd weave) et 1078 (Open Fiber)

Effets sur les circuits des lignes de transmission

Cette expérience de test utilise un circuit de ligne de transmission microbande avec un connecteur terminal de 1 mm. Le connecteur est d'abord connecté à un guide d'onde coplanaire à la masse (gcpw) de 50 ohms et converti en ligne de transmission microruban Haute impédance via un convertisseur d'impédance. Comme le montre la figure 3, la longueur de la ligne de transmission microruban est de 2 pouces, ce qui garantit que le circuit expérimental peut tester les effets de la structure tissée en verre. Le circuit est fabriqué à partir d'un stratifié de polytétrafluoroéthylène (PTFE) tissé de verre et utilise du cuivre calandré et une seule couche de tissu de verre. Afin de comparer les effets de différentes structures de tissage de verre, des circuits de ligne de transmission ont été réalisés sur trois stratifiés PCB différents, qui sont des stratifiés de PTFE avec un tissu de verre 1080, de PTFE avec un tissu de verre 1078 et de PTFE avec un tissu de verre 1080 rempli. Examinez soigneusement le circuit traité, choisissez la ligne de transmission appropriée pour le test et mesurez les caractéristiques d'amplitude et d'angle de phase du circuit. La constante diélectrique d'un stratifié est déterminée par trois paramètres: l'angle de phase (valeur de phase étendue), le retard de groupe (basé sur l'angle de phase qui varie avec la fréquence) et le retard de propagation (calculé à partir de l'angle de phase).

Impact sur les performances de l'antenne

Les réseaux d'antennes à patch microruban alimentés en série sont typiques des radars embarqués à ondes millimétriques. Afin d'étudier l'effet de la fibre de verre sur les performances de l'antenne, une antenne microruban patch alimentée en série 1 * 4 a été conçue pour fonctionner dans la gamme de fréquences 76 - 81 GHz [3]. Comme le montre la figure 4, l'antenne est réalisée à partir de deux stratifiés de tissu de verre différents ro4835 et ro4830. L'antenne est constituée d'éléments adjacents mis à la terre pour étudier son effet de couplage.

Matrice de patchs microruban alimentés en série sur stratifiés Rogers - ro4835 et Rogers - ro4830

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 ipctm - 650 2.5.5.5). Le stratifié ro4835 est fabriqué à partir de tissu de verre asymétrique tissé standard 1080 et renforcé avec un rembourrage en céramique. Au lieu de cela, le stratifié ro4830 est renforcé par une céramique tissée de fibres de verre à ouverture plate 1035 et remplie de particules plus petites. Le tableau 3 compare en outre les propriétés des stratifiés à base de ro4835 et ro4830.