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Queste frequenze erano un tempo riservate ai militari, quando il costo e la difficoltà di sviluppare circuiti a onde millimetriche erano divieti per uso civile. Ma con le innovazioni nelle tecnologie chiave come i materiali e i circuiti, migliaia di applicazioni a onde millimetriche sono nate nei sistemi radar automobilistici a 77GHz, che insieme alla tecnologia di guida autonoma rendono i viaggi su strada più sicuri. Al fine di garantire lo stato di funzionamento ottimale del sistema radar a onde millimetriche, come selezionare il materiale del circuito stampato (PCB) più adatto diventa il passo più critico nel processo di progettazione del circuito a onde millimetriche.
Effetto del dielettrico su Dk
Dk è uno dei molti parametri da considerare quando si progettano i materiali del circuito adatto per i circuiti ad onde millimetriche (come il radar anti-collisione automobilistico 77GHz), e la variazione di Dk dovrebbe essere controllata all'interno della gamma vicino al suo valore nominale per quanto possibile. Inoltre, altri parametri materiali che possono influenzare le prestazioni dei circuiti ad onda millimetrica includono: Df, spessore del materiale, qualità del conduttore di rame, igroscopicità e l'effetto "treccia di vetro" causato dal rinforzo in fibra di vetro. Ancora una volta, la coerenza è essenziale, specialmente alle frequenze di onda millimetrica, dove cambiamenti drammatici in questi parametri possono anche influenzare le prestazioni del circuito.
Questi diversi parametri del circuito influenzano il valore "design Dk" del materiale del circuito stampato. Per garantire che la descrizione di Dk sia chiara e inequivocabile, il "Dk efficace" qui si riferisce al valore totale di Dk generato durante la propagazione del segnale. Per la linea microstrip, "Dk efficace" si riferisce al valore composto di Dk nel mezzo e Dk nell'aria intorno al mezzo. "Design Dk" si riferisce al valore Dk del materiale stesso sulla base di "efficace Dk", cioè il valore ottenuto dopo aver eliminato l'influenza dell'aria circostante su Dk.
Influenza del foglio di rame su Dk
Tutti i componenti di un materiale del circuito stampato influenzano il "design Dk", quindi considerare i parametri di tutti i componenti di un circuito stampato. Ad esempio, la qualità del conduttore di rame può influenzare le prestazioni del circuito alle frequenze di onda millimetrica. I conduttori in rame di alta qualità forniscono alta conducibilità e impedenza costante per le linee di trasmissione, che sono fondamentali per la stabilità di fase alle frequenze di onda millimetrica, come nelle applicazioni radar automobilistiche a 77GHz.
La perdita di inserzione di una linea di trasmissione microtrip da 50 Ï a 110 GHz è stata misurata per confrontare le caratteristiche di perdita di diversi conduttori in rame. L'effetto della rugosità superficiale del rame sulla perdita del conduttore e sulla perdita di inserzione è evidente (come mostrato nella Figura 4). Lo spessore del materiale del circuito stampato influenzerà anche la perdita causata dalla superficie ruvida di rame. Più sottile è il materiale, maggiore è l'influenza del foglio di rame grezzo.
Come faccio a mantenere stabile il Dk
I radar veicolari che operano a 77GHz possono rilevare piccole differenze nella fase del segnale riflesso e qualsiasi cambiamento nel "design Dk" del materiale del circuito stampato influenzerà lo stato di fase, riducendo così la precisione di rilevamento del sistema. Idealmente, si desidera che il valore Dk del materiale del circuito stampato rimanga invariato in qualsiasi condizione. Ma la realtà è che il "design Dk" di un materiale può cambiare a seconda di vari fattori come frequenza, temperatura e spessore. Solo quando la tolleranza massima del valore Dk del materiale del circuito INTRINSICO è controllata nell'intervallo di ±0,05 può la fluttuazione di fase non influenzare l'alta precisione e l'alta affidabilità del sistema.
Alcuni materiali PCB basati sul sistema di resina THE PTFE hanno una forte variazione dei valori Dk a temperatura ambiente (circa 25°C). Per la maggior parte delle applicazioni, TCDk può essere controllato nell'intervallo di 0±25ppm/°C. Prendendo ad esempio il materiale del circuito RO3003, quando la temperatura cambia da -50 a 150°C, il TCDk nella direzione dell'asse z alla frequenza 10GHz è solo -3ppm /°C. Più piccolo è il TCDk, meno cambia il Dk con la temperatura (vedere Figura 5), che è fondamentale per le applicazioni di frequenza d'onda millimetrica e per i circuiti che devono mantenere prestazioni stabili su un ampio intervallo di temperatura.
Per il radar 77GHz, se il materiale PCB con forte "effetto treccia di vetro" è selezionato, può essere influenzato da ritardo di gruppo, ritardo di propagazione e cambiamento dell'angolo di fase. Per garantire la stabilità di fase, il materiale del circuito stampato con "treccia aperta uniforme in fibra di vetro" come riempitore dovrebbe essere selezionato per il circuito a 77GHz e la variazione Dk del materiale del circuito dovrebbe essere il più piccola possibile. Se un materiale del circuito stampato con "broughs di vetro aperto intrecciato" viene utilizzato come riempitore, il valore Dk cambierà di circa 0,09 a 77GHz, con conseguente differenza di fase di circa 100 gradi. L'angolo di fase cambia notevolmente, il che significa che il ritardo di gruppo e il ritardo di propagazione del circuito di questi materiali saranno molto diversi. Idealmente, un materiale privo di fibra di vetro, come i laminati RO3003 o RO3003G2, può essere utilizzato per evitare l'"effetto fibra di vetro".
Al fine di valutare l'effetto dei diversi materiali del circuito stampato e dei tipi di conduttori in rame sul circuito, ci vuole molto tempo e sforzo per utilizzare il software di simulazione del campo elettromagnetico ad onda intera per simulare il circuito, o per elaborare direttamente la cosa reale per il test. Un approccio più semplice è quello di utilizzare mWI-2019, un programma software gratuito basato sulla piattaforma Windows di Microsoft. Il software può essere scaricato gratuitamente dal sito ufficiale Rogers. Il software (vedi "Ulteriori informazioni su MWI-2019") consente agli utenti di utilizzare il suo database integrato per verificare l'effetto dello spessore del materiale, della rugosità superficiale del conduttore di rame e di altri parametri sul "Design Dk". Il database contiene anche valori "Design Dk" per molti altri materiali diversi. Mentre il software fornisce risultati leggermente meno precisi, il suo tempo di calcolo è molto più veloce di quello del software di simulazione elettromagnetica ad onda intera, fornendo valori iniziali quasi immediati per diversi materiali e parametri materiali utilizzati nel circuito ad onda millimetrica.
