PCB 기술 - PCB 구조가 밀리미터파 레이더 성능에 미치는 영향

흔히 볼 수 있는 복합인쇄회로기판 (PCB) 의 개전층은 대부분 유리섬유를 충전재로 사용하지만 유리섬유의 특수한 짜임구조로 인해 PCB 판의 국소개전상수 (Dk) 가 변화한다.특히 밀리미터파 (mmWave) 주파수에서는 얇은 압판의 유리 짜임 효과가 더욱 뚜렷해질 것이며, Dk의 국부적인 불균등성은 RF 회로와 안테나 성능의 현저한 변화를 초래할 것이다.100μm 두께의 유리로 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)층 압판을 짜내 PCB 구조가 전송 선형 에너지에 미치는 영향을 연구했다.서로 다른 유리 짜임 구조에 따라 PCB의 개전 상수는 0.01과 0.22 사이에서 변동한다.서로 다른 유리 짜임 구조가 안테나 성능에 미치는 영향을 연구하기 위해 Rogers 상용층 압판 RO4835와 RO4830에 각각 직렬 송전 마이크로밴드 패치 배열 안테나를 제작했다.실험 결과는 RO4830 층 압판으로 법에 따라 공차로 가공된 안테나는 전기학적 성능이 계산값과 더욱 일치하고 변화가 적으며 반사계수(S11 & LT; -10dB)와 시축 이득 성능이 비교적 좋다는 것을 나타냈다.

자동 운전 자동차는 현재의 연구 이슈이다.그것은 운전자와 보행자가 잠재적으로 치명적인 사고를 피할 수 있도록 도와주며 신뢰성에 대한 요구가 높다.따라서 회로에 높은 신뢰성을 요구합니다.밀리미터파 레이더는 구조가 치밀하고 환경 검측 감도가 높아 자동 운전 중 목표 검측에 신뢰할 수 있는 솔루션을 제공한다.76~81GHz 주파수의 상업용 밀리미터파 레이더 시스템에서 직렬 송전 마이크로밴드 패치 안테나는 설계가 쉽고 구조가 치밀하며 저비용으로 대량으로 제조할 수 있는 것으로 유명하다[1].주파수가 높을수록 파장이 작아지기 때문에 밀리미터파 주파수에서 작동하는 전송선과 안테나는 낮은 주파수에서 작동하는 선로와 안테나보다 작게 작동할 것이다.항공기 탑재 레이더의 이상적인 성능을 보장하기 위해서는 PCB가 전송선과 마이크로밴드 패치 안테나에 미치는 영향을 연구할 필요가 있다.장시간 실외 환경에서 작동(온도와 습도의 영향)하는 밀리미터파 주파수 회로[2]의 경우 PCB 회로 기판을 선택할 때 재료 성능 지표의 일관성이 최우선 고려 요소이다.그러나 층압판을 구성하는 동박, 유리섬유강화재료, 도자기충전재 및 기타 재료는 고주파에서 지수의 일치성에 큰 영향을 끼친다.

이 글은 주로 PCB 구조가 밀리미터파 레이더의 성능에 미치는 영향을 연구했다.대부분의 PCB 층 압판의 개전층은 일반적으로 유리 섬유 천에 폴리머 수지를 코팅하여 형성됩니다.밀리미터파 주파수에서 유리섬유천은 재료성능의 일치성에 대한 영향이 아주 뚜렷하다. 왜냐하면 유리빔의 너비는 전송선의 너비와 맞먹기 때문이다.또한 얇은(예: 100 μm) PCB 회선 레이어 프레스를 사용하여 마이크로 밴드 안테나를 설계할 때 유리 패브릭은 안테나 성능의 큰 변화를 초래하고 가공 완료율을 낮출 수 있습니다.

층압판의 구성

층압판은 일반적으로 유리섬유천과 중합물수지를 결합하여 개전층을 형성한후 량측에 동박을 덮는다.유리 천의 일반적인 개전 상수 (Dk) 는 약 6.1 로 높으며 저손실 폴리머 수지의 개전 상수는 2.1 과 3.0 사이이므로 Dk는 작은 면적에서 변화합니다.그림1은 층압판에 있는 유리편직섬유의 미시부시도와 횡단면도를 보여준다.스티어링 번들 위의 회로는 높은 유리 섬유 함량으로 인해 높은 Dk를 가지고 있으며, 번들 개구부 위의 회로는 높은 수지 함량으로 인해 낮은 Dk를 가지고 있다.또한 유리 직물의 특성은 유리 직물의 두께, 직물 사이의 거리, 직물의 편평화 방식 및 각 축의 유리 함량의 영향을 받습니다.

이 층의 압판은 10GHz 아래의 개전 상수는 3.48이고 손실각은 0.0037(IPC TM-650 2.5.5.5 표준 테스트 기준)이다.또한 RO4830 레이어 프레스의 개전 상수는 3.24이고 손실 각도는 0.0033(ipCTN-650 2.5.5.5 표준 테스트 기준)이다.RO4835 레이어 프레스는 1080 타입의 표준 편직 불균형 유리 천으로 제작되었으며 세라믹 충전재로 보강되었습니다.반면 RO4830 레이어 프레스는 1035형 편평한 개구부 유리섬유로 짜고 작은 입자를 채운 세라믹으로 강화됐다.표 3은 RO4835 및 RO4830 기반 레이어 프레스의 특성을 더 비교합니다.

그림 5 (a) 및 (b) 에서 볼 수 있듯이, 처리 후 설계 크기를 만족시키는 안테나를 선택하고, 그 안테나 전송선은 RO4835 층 압판의"관절 빔 접합 구역"과"빔 개구 구역"과 일치한다.그림 5 (c) 와 같이 RO4830 레이어 프레스는 납작하고 열린 섬유의 유리 짜임 구조를 사용하기 때문에 도체가 RO4830 레이어 프레스의 유리 직물과 정렬되는지 여부를 고려할 필요가 없습니다.가공 안테나의 반사 계수(S11)와 광축 이득을 각각 측정합니다.

그림 5는 RO4835 층 전압판의"조향절 빔 접합 구역"과"빔 개구부"에 맞춘 안테나, RO4830 층 전압판의 안테나 샘플

간단하게 보기 위해 본고가 제시한 결과는 몇 개의 측정된 안테나의 테스트 데이터의 평균값에서 나온 것으로 측정 결과와 모의 결과를 비교했다.그림 6은 RO4835 레이어 프레스의 안테나 테스트 결과 (5 개의 샘플) 를 보여줍니다.회전 피치 빔 교차 영역 및 빔 개구 영역의 반사 계수 (S11) 와 축 이득이 크게 변경되었습니다.RO4835의 안테나 성능은 컨덕터가 스티어링 피치 및 빔 오프닝 영역과 정렬되는 상황에 따라 달라집니다.또한 안테나 이득도 변경됩니다.

s는 주파수 변화에 따라 개전 상수도 변화하고 있음을 나타낸다.또한 높은 주파수로의 오프셋은 낮은 개전 상수를 나타냅니다.

그림 6 RO4835 레이어 프레스의'관절 빔 접합 영역(KB)'과'빔 개구 영역(BO)'안테나 샘플의 측정 결과와 시뮬레이션 결과의 비교

그림 7에 표시된 RO4830 계층 프레스의 안테나 성능을 비교한 결과, 테스트에서 얻은 안테나 성능은 RO4830 계층 프레스의 아날로그 값과 더욱 일치하여 매우 일치했다.측정 결과와 시뮬레이션 결과의 일치성은 층압판의 개전 상수에 변화가 생겼음을 나타낸다.반면 표준 편직 RO4835 레이어 프레스에서는 표관축 이득 변화가 4dB이지만 편평한 개구부 편직 RO4830 레이어 프레스에서는 2dB만 변화한다.이런 간단한 실험을 통해 편평한 개구부 유리섬유의 짜임구조 스타일을 가진 Rogers RO4830 레이어 프레스를 사용함으로써 반사율과 축방향 이득과 같은 더 일관된 안테나 성능을 얻을 수 있다.

그림 7 RO4830 레이어 전압판에 있는 안테나 샘플의 측정 결과와 시뮬레이션 결과의 비교

결론

레이어 프레스의 구조는 전송선과 안테나의 성능에 영향을 줄 수 있다.유리천의 구조도 층압판의 개전 상수를 바꾸어 제품의 성능을 떨어뜨리고 제품의 완제품률에 영향을 준다.RO4835 레이어 프레스보다 RO4830 레이어 프레스로 가공된 안테나가 더 나은 성능 일관성을 제공합니다.안테나 성능과 가공 완제품률의 향상은 주로 층압판 재료의 구조, 즉 편평한 개구부 섬유의 유리 짜임, 적은 유리 함량(유리 섬유에서 멀리 떨어진 도체), 비교적 두꺼운 기저 등에 기인한다. 안테나 성능의 향상도 재료의 전기적 성능과 관련이 있다. 예를 들면 RO4830 층압판,그것은 비교적 낮은 개전 상수와 비교적 낮은 손실각 양절값을 가지고 있다.따라서 소파장 밀리미터파 주파수 레이더의 응용에서 Rogers RO4830층 압판 처리의 안테나는 RO4835층 압판 처리보다 성능과 일치성이 우수하다.