マイクロ波技術 - RO 4350 Bプレートの24 GHzにおける誘電率と損失率

RO 4350 Bの誘電率は比較的安定している。10 GHzの標準値は3.48であり、周波数の増加とともに誘電率が低下した。24 GHzでは、誘電率は3.47で、10 GHzでの値より0.01低い。

一般的に、高周波PCBボードは、低誘電率、低損失率、周波数と温度安定性、およびコスト（材料コスト、設計テスト製造コスト）のいくつかの側面から選択する必要があります。ROGERS社のRO 4350 Bは炭化水素樹脂とセラミックスフィラー積層板とプリプレグに用いられる低損失材料であり、優れた高周波性能（通常30 GHz以下に適している）を有する。RO 4350 Bは標準的なエポキシ樹脂/ガラス（FR-4）加工技術を用いて加工するため、その生産ラインの加工コストも低い。RO 4350 Bはコストと高周波性能の最適化を実現し、最もコスト効果のある低損失高周波数スライスであると言える。設計要件をより良く実現するために、著者らはマイクロストリップアレイアンテナを設計する際に、24 GHzにおけるRO 4350 Bチップに基づくマイクロストリップ伝送路の挿入損失を研究した。

マイクロストリップ線挿入損失解析

マイクロストリップ線挿入損失は主に導体損失、誘電体損失、表面波損失と放射損失を含み、その中で導体損失と誘電体損失は主要である。表皮効果はマイクロストリップ線上の高周波電流を導電帯と接地板が誘電体基板に直接接触する薄層に集中させ、等価交流抵抗は低周波よりはるかに大きい。10 GHz以下で動作すると、マイクロストリップワイヤの導体損失は誘電損失よりもはるかに大きい。動作周波数が24 GHzに上昇すると、誘電損失は導体損失を上回る。

図1は、HFSS計算の異なる長さのマイクロストリップ線の挿入損失を示している。誘電体基板はいずれもRO 4350 Bであり、厚さは20ミルである。図から分かるように、マイクロストリップワイヤの挿入損失は約17 dB/mであり、金属損失、誘電損失及びその他の損失はそれぞれ4.47 dB/m、11.27 dB/m及び1.26 dB/mである。比較として、表1にMWI 2016で計算されたマイクロストリップ線の挿入損失を示す。同じ条件でMWIの計算値は24.4 dBであることがわかる。誘電損失値は近いが、導体損失値は7 dB異なる。差異が生じた理由は、HFSSモデルではガイドテープと接地板の表面粗さが考慮されていないためである。マイクロストリップ線挿入損失のHFSS計算結果は以下の通りである：

マイクロストリップ線の挿入損失を低減するための措置

1）板材の厚さを合理的に選択し、緑色油を慎重に使用する

表1から、同じ特性インピーダンスを有するマイクロストリップワイヤの導体損失は誘電体厚の増加とともに減少し、誘電体損失はほとんど変化しなかった。誘電体基板が厚いほどマイクロストリップ線幅が狭くなり、高周波電流が集中するほど導体損失が大きくなるためである。注目すべきは、グリーン油媒体は24 GHzで大きな損失角を有し、これによりマイクロストリップワイヤの挿入損失が増加することである。そのため、24 GHzマイクロストリップアンテナを設計する際には、アンテナ領域に半田マスクを用いて窓を開ける必要がある。MWI 2016マイクロストリップ線挿入損失の計算結果は以下の通り：

2）優先LoPro銅箔

導電性ストリップと接地板銅箔の表面粗さもマイクロストリップワイヤ挿入損失に影響する重要な要素である。銅箔表面が滑らかであるほど、導体損失は小さくなる。RO 4350 Bは、電解銅箔（ED）と低粗さ反転処理銅箔（LoPro）の2種類の銅箔被覆を提供する。ED銅箔の表面粗さは約3 umであり、LoPro銅箔は0.4 umに達することができるので、導体損失を効果的に低減することができる。図2は、この2種類の銅箔のマイクロストリップワイヤ挿入損失の比較を示している。誘電体基板の厚さは0.1 mmである。図から分かるように、LoPro銅箔マイクロストリップワイヤの24 GHzでの挿入損失はED銅箔より40%小さい。電解銅と逆方向銅の挿入損失の比較は以下の通りである：

3）合理的

表面処理プロセスの選択

表面処理プロセスも導体損失に影響する要素の一つである。一般的な表面処理プロセスは4種類あり、銀浸漬、金浸漬（非ニッケル金）、ニッケル金（ニッケル3−5 um、金2.54−7.62 um）、錫浸漬に分けられる。表2に、これらの金属の電気パラメータを示す。ニッケルは強磁性材料であり、その磁気容量は600である。表皮深さ計算式によると、ニッケルの表皮深さは他の金属より1桁小さいため、ニッケルの表面抵抗は他の金属より数十倍大きく、ニッケル金プロセスの導体損失は他のプロセスよりはるかに大きい。図3は裸の銅、銀浸漬とニッケル金表面処理プロセスの挿入損失を比較し、基板の厚さはすべて20ミルである。図から分かるように、銀浸漬プロセスの挿入損失は裸の銅と似ているが、ニッケル金表面処理後のマイクロストリップ線の挿入損失は4 dB/m（10 GHz）大きい。この差は24 GHzではさらに大きくなることが予想される。大きい。異なる金属の電気伝導率、誘電率、表皮深さをニッケル金プロセスと裸銅の挿入損失と比較し、図に示すように：

以上より、RO 4350 B PCB誘電体基板を用いて24 GHzマイクロストリップアンテナまたはマイクロストリップ回路を設計する場合、性能とコスト要件に応じて誘電体板の厚さ、銅コーティングのタイプ、表面処理プロセスを考慮する必要があります。この結論はロジャーズRO 4000とRO 3000シリーズのほとんどの回路基板にも適用される。