Tecnologia RF - Perdita di inserzione della linea microstrip di RO4350B PCB a 24GHz

Gli ingegneri di progettazione PCB ad alta frequenza generalmente selezionano i materiali PCB ad alta frequenza dai seguenti aspetti.

1. Bassa costante dielettrica

2. Fattore di perdita basso

3. Frequenza stabile

4. Inflazione stabile e contrazione

5. costo PCB (costo materiale, costo di progettazione-test-produzione)

RO4350B prodotto da Rogers è un materiale a bassa perdita di resina idrocarburica e materiale ceramico filler laminato e lamiera semiindurita, che ha eccellenti prestazioni ad alta frequenza (generalmente può essere applicato sotto i 30GHz). Poiché RO4350B è elaborato con la tecnologia di elaborazione standard resina epossidica / vetro (FR-4), ha anche un basso costo di elaborazione di linea. Si può dire che RO4350B raggiunge l'ottimizzazione dei costi e delle prestazioni ad alta frequenza ed è il materiale ad alta frequenza a bassa perdita più conveniente. Al fine di soddisfare meglio i requisiti di progettazione, abbiamo testato la perdita di inserimento della linea di trasmissione microstrip basata sul materiale RO4350B a 24 GHz durante la progettazione dell'antenna array microstrip.

Analisi della perdita di inserimento della linea microstrip

La perdita di inserzione della linea microstrip comprende principalmente la perdita del conduttore, la perdita dielettrica, la perdita di onda superficiale e la perdita di radiazione, di cui la perdita del conduttore e la perdita dielettrica sono le principali. L'effetto della pelle fa sì che la corrente ad alta frequenza sulla linea del microtrip si concentri sullo strato sottile della banda conduttiva e sulla piastra di terra che contatti direttamente il substrato dielettrico e la resistenza AC equivalente è molto maggiore del caso a bassa frequenza. Quando la frequenza operativa è inferiore a 10GHz, la perdita del conduttore della linea microstrip è molto maggiore della perdita dielettrica. Quando la frequenza di funzionamento sale a 24GHz, la perdita dielettrica supera la perdita del conduttore.

Risultati del calcolo HFSS della perdita di inserzione della linea Microstrip

Per la perdita di inserzione di linee microstrip con lunghezze diverse calcolate da HFSS, il substrato dielettrico è RO4350B con uno spessore di 20 mil. Si può vedere dalla figura precedente che la perdita di inserimento della linea microstrip è di circa 17dB/m, in cui la perdita di metallo, la perdita dielettrica e altre perdite sono rispettivamente 4.47dB/m, 11.27dB/m e 1.26dB/m. Per il confronto, la Tabella 1 mostra la perdita di inserimento della linea microstrip calcolata per MWI2016. Si può vedere che il valore calcolato di MWI è 24.4dB nelle stesse condizioni, in cui il valore di perdita dielettrica è vicino, ma il valore di perdita del conduttore è 7dB. La ragione della differenza è che la rugosità superficiale della banda guida e della piastra di terra non è considerata nel modello HFSS.

Misure per ridurre la perdita di inserimento della linea microstrip

1. selezione ragionevole di spessore del piatto e riduzione dello strato di resistenza della saldatura

Per le linee microstrip con la stessa impedenza caratteristica, la perdita del conduttore diminuisce con l'aumento dello spessore dielettrico, mentre la perdita dielettrica è sostanzialmente invariata. Il motivo è che più spesso è il substrato dielettrico, più stretta è la larghezza della linea microstrip, più concentrata è la corrente ad alta frequenza e maggiore è la perdita del conduttore. Vale la pena notare che l'angolo tangente di perdita più grande del mezzo maschera di saldatura a 24GHz aumenterà la perdita di inserzione della linea microstrip. Pertanto, quando si progetta un'antenna microtrip 24GHz, l'area dell'antenna deve essere saldata e finestrata.

2. La lamina di rame LoPro è preferita

La rugosità superficiale della lamina di rame della striscia di guida e della piastra di massa è anche un fattore importante che influisce sulla perdita di inserzione della linea microstrip. Più liscia è la superficie del foglio di rame, minore è la perdita del conduttore. RO4350B fornisce fogli di rame elettrolitici (ED) e fogli di rame di elaborazione inversa a bassa rugosità (LoPro). La rugosità superficiale della lamina di rame ED è di circa 3um e la lamina di rame LoPro può raggiungere 0,4um, quindi può ridurre efficacemente la perdita del conduttore. Rispetto alla perdita di inserzione dei due fogli di rame, lo spessore del substrato dielettrico è di 0,1 mm. A 24 GHz, la perdita di inserzione della linea microstrip della lamina di rame LoPro è del 40% inferiore a quella della lamina di rame ED.

Confronto della perdita di inserzione tra rame elettrolitico e rame inverso

3. Selezione ragionevole del processo di trattamento superficiale

Il processo di trattamento superficiale è anche uno dei fattori che influenzano la perdita del conduttore. Ci sono quattro processi di trattamento superficiale comuni, tra cui precipitazione dell'argento, precipitazione dell'oro (nichel oro), precipitazione dell'oro del nichel (nichel 3-5 um, oro 2.54-7.62 um) e precipitazione dello stagno. La tabella 2 mostra i parametri elettrici di questi metalli, di cui il nichel è un materiale ferromagnetico con una permittività magnetica di 600. Secondo la formula di calcolo della profondità della pelle, la profondità della pelle del nichel è di un ordine di grandezza inferiore a quella di altri metalli, quindi la resistenza superficiale del nichel è decine di volte più grande di quella di altri metalli, con conseguente perdita del conduttore del processo dell'oro del nichel è molto più grande di quella di altri processi. Lo spessore del substrato è di 20 mil a causa della perdita di inserimento del rame nudo, precipitazione dell'argento e processi di trattamento superficiale dell'oro nichel. Si può vedere dalla figura che la perdita di inserzione del processo di deposizione dell'argento è simile a quella del rame nudo, ma la perdita di inserzione della linea microstrip dopo il trattamento superficiale dell'oro nichel è 4 dB/m (10 GHz) più grande, che può essere previsto essere maggiore a 24 GHz.

Confronto della perdita di inserzione tra processo di nichel oro e rame nudo

Quando usiamo il substrato dielettrico RO4350B per progettare l'antenna microstrip 24GHz o il circuito microstrip, dobbiamo considerare in modo completo lo spessore della piastra dielettrica, il tipo di rivestimento in rame e il processo di trattamento superficiale secondo le prestazioni e i requisiti di costo. La conclusione è applicabile anche alla maggior parte dei materiali delle serie RO4000 e RO3000 Rogers.