マイクロ波技術 - RO 4350 B PCBマイクロストリップラインの24 GHzでの挿入損失

高周波PCB設計エンジニアは通常、以下の点から高周波PCB材料を選択する。

1.誘電率が低い

2.低損失係数

3.周波数安定

4.安定したインフレと収縮

5.PCBコスト（材料コスト、設計テスト製造コスト）

ロジャーズ社製のRO 4350 Bは低損失の炭化水素樹脂とセラミックスフィラー積層板と半硬化シート材料であり、優れた高周波性能（通常30 GHz以下に応用可能）を有する。RO 4350 Bは標準エポキシ樹脂/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、最もコスト効率の高い低損失高周波材料であると言える。設計要件をより適切に満たすために、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でのRO 4350 B材料に基づくマイクロストリップ伝送路の挿入損失を試験した。

マイクロストリップ線の挿入損失解析

マイクロストリップ線の挿入損失は主に導体損失、誘電損失、表面波損失と放射損失を含み、その中で導体損失と誘電損失は主要な損失である。表皮効果により、マイクロストリップライン上の高周波電流は導電性ベルトの薄層と誘電体基板に直接接触する接地板に集中し、等価交流抵抗は低周波よりはるかに大きい。動作周波数が10 GHz未満の場合、マイクロストリップワイヤの導体損失は誘電損失よりはるかに大きい。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。

マイクロストリップ線挿入損失のHFSS計算結果

HFSSで計算された異なる長さのマイクロストリップワイヤの挿入損失について、誘電体基板はRO 4350 Bであり、厚さは20ミルである。上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、そのうち金属損失、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。比較のために、表1にMWI 2016により計算されたマイクロストリップ線の挿入損失を示す。同じ条件下で、MWIの計算値は24.4 dBであり、誘電損失値は近いが、導体損失値は7 dBであることがわかる。差異が生じた理由は、HFSSモデルにおいて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の挿入損失を低減するための措置

1.板厚を合理的に選択し、溶接抵抗層を減らす

同じ特性インピーダンスを持つマイクロストリップワイヤでは、導体損失は媒体厚の増加とともに減少し、媒体損失はほとんど変化しない。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。24 GHzでの半田マスク媒体の大きな損失正接角は、マイクロストリップワイヤの挿入損失を増加させることに注目すべきである。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、アンテナ領域を溶接し、窓を開ける必要がある。

2.優先LoPro銅箔

ガイドバーと接地板の銅箔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）と低粗さ逆処理銅箔（LoPro）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。2種類の銅箔の挿入損失と比較して、誘電体基板の厚さは0.1 mmである。24 GHzでは、LoPro銅箔マイクロストリップワイヤの挿入損失はED銅箔の挿入損失より40%小さい。

電解銅と逆方向銅の挿入損失の比較

3.表面処理プロセスを合理的に選択する

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には、銀沈殿、金沈殿（ニッケル金）、ニッケル金沈殿（ニッケル3〜5 um、金2.54〜7.62 um）、錫沈殿の4種類がある。表2は、ニッケルが600の誘電率を有する強磁性材料であるこれらの金属の電気パラメータを示す。表皮深さの計算式によると、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ずっと大きい。裸の銅、銀沈殿、ニッケル金表面処理プロセスの挿入損失により、基板の厚さは20ミルであった。図から分かるように、銀堆積プロセスの挿入損失は裸の銅の挿入損失と似ているが、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）大きく、24 GHzではさらに大きくなると予測できる。

ニッケル金プロセスと裸銅プロセスの挿入損失の比較

RO 4350 B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、性能とコストの要求に応じて、誘電体板の厚さ、銅めっきタイプ、表面処理プロセスを総合的に考慮する必要がある。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材料にも適用される。