Teknologi PCBA - ​ Pilih bahan papan sirkuit untuk antena PCB PIM rendah

Bahan papan sirkuit dengan berbagai ciri-ciri yang baik boleh memenuhi keperluan sistem komunikasi tanpa wayar modern dan meletakkan dasar untuk antena PCB dengan distorsi rendah...

Walaupun antena mempunyai bentuk dan saiz yang berbeza, antena papan sirkuit cetak (PCB) boleh menjaga prestasi mereka tidak berubah sementara mengurangi saiz mereka. Sudah tentu, antena (termasuk antena berdasarkan PCB) mesti dirancang dan dihasilkan untuk memastikan penunjuk intermodulasi pasif minimum (PIM) untuk melakukan yang terbaik dalam persekitaran isyarat penuh hari ini.

Untuk antena PCB, walaupun indeks PIM rendah terutama berkaitan dengan rancangan antena, bahan papan sirkuit juga mempunyai pengaruh yang besar pada prestasi PIM keseluruhan antena PCB, jadi juga perlu mempertimbangkan bagaimana untuk memilih frekuensi radio (RF)/bahan sirkuit microwave.

PIM adalah kesan dioda bukan linear. Apabila dua atau lebih isyarat digabung (contohnya, dari penghantar berbeza), isyarat harmonik tidak perlu dijana. Apabila aras isyarat harmonik tambahan ini cukup tinggi dan jatuh dalam julat frekuensi penerima, maka ia boleh menyebabkan masalah dan mengganggu pengesan normal isyarat penerima dalam band frekuensi. Walaupun PIM tidak akan mempengaruhi setiap aplikasi, ia mungkin mengganggu operasi normal sistem komunikasi tanpa wayar, terutama apabila ia cuba untuk pulihkan isyarat tahap bawah.

Antena PCB

Antena frekuensi tinggi yang dihasilkan dalam bentuk PCB boleh mempunyai banyak struktur yang berbeza, dari dipol sederhana ke struktur kompleks berdasarkan resonator cincin dan lensa Rotman. Salah satu antena PCB yang lebih populer ialah antena patch microstrip, yang boleh merancang struktur antena sederhana dan kompak dalam julat frekuensi tertentu (lihat Gambar 1). Banyak produk menggunakan antena lapisan PCB berbilang atau struktur resonan untuk menyedari rangkaian pencahayaan cahaya (BFN) atau antena array bertindak, dan mengawal amplitud dan fasa struktur antena PCB kurus mereka untuk radar atau sistem komunikasi melalui pelarasan elektronik. Dan arah.

Pada frekuensi gelombang milimeter (mmWave), antena PCB planar kompat juga menarik perhatian semakin banyak. Contohnya, sistem bantuan pemandu lanjut 77GHz (ADAS) yang digunakan dalam sistem keselamatan elektronik kenderaan menggunakan antena ini untuk mencapai pengesan titik buta dan sistem pengendalian automatik dan fungsi anti-kolasi. Kerana kuasa isyarat rendah sistem ini, penerima ADAS mesti bergantung pada sensitiviti tinggi mereka untuk mengesan eko radar yang diperlihatkan oleh pelayar dan kenderaan lain.

Unit antena patch microstrip radiasi tenaga elektromagnetik (EM) ke ruang bebas semasa menghantar, dan menghantar tenaga elektromagnetik ke sirkuit tersambung (contohnya, penerima) semasa menerima. Tetapi patch hanya komponen antena PCB, dan penyedia membentuk bahagian penting lain. Penyuap bertindak sebagai jambatan antara sirkuit microstrip tersambung dan patch radiasi untuk menghantar dan menerima tenaga elektromagnetik. Idealnya, patch patut menunjukkan radiasi tinggi, sementara penyedia mempunyai radiasi rendah, untuk menyadari pemindahan tenaga yang efektif dari sirkuit ke patch.

Strategi PIM

Antena dengan PIM yang lebih tinggi boleh menyebabkan kehilangan data dalam sistem komunikasi tanpa wayar (seperti rangkaian tanpa wayar 4G LTE). Jenis rangkaian ini bergantung pada Sistem Antena Terdistribusi (DAS) untuk memperluas penyamaran tanpa wayar, dan rangkaian tanpa wayar 5G yang muncul, walaupun frekuensi yang lebih tinggi, sebenarnya sama.

Untuk frekuensi isyarat pembawa f1 dan f2 dalam dua band frekuensi dalam sistem penerima, PIM adalah produk campuran nf1-mf2 dan nf2-mf1, di mana n dan m adalah integer. Harmonik PIM berasal seperti ini boleh diklasifikasikan mengikut peraturan tertentu, dan tertib ditentukan oleh jumlah m dan n, seperti komponen tertib ketiga 2f1-f2 dan 2f2-f1 (Figur 3). Produk intermodulasi tertib ketiga layak diperhatikan, kerana mereka adalah yang terdekat kepada isyarat pembawa dan mungkin jatuh dalam band frekuensi penerima, dan jika komponen mempunyai kuasa yang lebih tinggi, mereka mungkin menyebabkan penghalangan penerimaan.

Amplitud komponen harmonik PIM bukan sahaja fungsi amplitud f1 dan f2, tetapi juga fungsi tertib PIM. Amplitude komponen harmonik PIM menurun semasa tertib meningkat. Oleh itu, aras kuasa harmonik PIM perintah ke-5, ke-7 dan ke-9 biasanya kecil dan tidak akan mempengaruhi prestasi penerima.

Bagaimana tingkat kuasa rendah boleh dianggap PIM rendah? Nilai ini boleh berbeza dari sistem ke sistem. Untuk sistem LTE 4G menggunakan beberapa komponen pasif (seperti sambungan dan kabel) termasuk dalam peralatan DAS, -145dBc biasanya cukup rendah. Secara umum, -140dBc atau lebih tinggi dianggap prestasi PIM yang teruk, sementara -150dBc biasanya lebih baik, dan -160dBc lebih baik.

Apabila mengukur aras PIM antena dan komponen pasif lain dalam bilik anechoic mikrogelombang yang direka secara khusus, aras bunyi sebanyak -170dBc boleh melebihi aras bunyi persekitaran ujian bilik gelap. Apabila dua isyarat tona tunggal +43dBm digunakan untuk pengukuran, aras bunyi sebenar kebanyakan bilik gelap ujian PIM ialah -165dBc.

Apabila antena yang sama menggunakan penyedia umum untuk mencapai fungsi penghantaran dan menerima, PIM rendah sangat penting. Kerana pemancar dan penerima ditempatkan dalam sistem yang sama pada masa yang sama, produk tidak linear bagi isyarat terpancar berbilang akan sentiasa membawa kepada gelombang penyesuaian bersama yang tidak diinginkan yang amplitud sering cukup untuk merusak prestasi penerima. Memahami kesan sifat bahan yang berbeza pada PIM boleh mengurangkan kesan PIM pada antena PCB.

Walaupun dalam kebanyakan kes PIM disebabkan oleh bahan yang tidak sama dalam nod sirkuit (seperti kongsi solder atau konektor), ciri-ciri bahan papan sirkuit, seperti permukaan foil tembaga kasar dan jenis lain rawatan permukaan elektroplating, juga boleh dipengaruhi. Hasilkan aras PIM yang lebih rendah atau lebih tinggi. Parameter tertentu dalam bahan papan sirkuit boleh digunakan sebagai rujukan untuk merancang antena PCB PIM rendah.

Antena dan komponen pasif lain yang dibuat dari bahan PCB juga akan mempunyai kesan pada prestasi PIM selepas penutup permukaan. Bahan feromagnetik (seperti nikel) mempengaruhi prestasi PIM secara serius. Plating tin imersion biasanya mempunyai prestasi PIM yang lebih baik daripada litar tembaga kosong, sementara litar menggunakan emas nikel kimia (ENIG) akan mempunyai prestasi PIM yang lebih buruk disebabkan nikel.

Kebersihan permukaan litar menyebabkan mengurangi prestasi PIM antena microstrip dan komponen pasif lain. Sirkuit dengan topeng askar biasanya mempunyai prestasi PIM yang lebih baik daripada sirkuit tembaga kosong. Sirkuit bersih dan tiada rawatan kimia basah adalah dasar penting untuk mengurangi prestasi PIM. Setiap bentuk kontaminan ionik atau sisa dalam sirkuit boleh menyebabkan prestasi PIM yang teruk.

Sama seperti, kualiti pencetakan sirkuit juga sangat penting untuk meningkatkan prestasi PIM. Jika konduktor foli tembaga tidak cukup rosak, menyebabkan kasar dan meledak di tepi sirkuit, situasi ini juga boleh merusak prestasi PIM.

Selama bahan papan sirkuit dipilih dengan hati-hati, ia mungkin untuk meningkatkan prestasi PIM komponen atau sirkuit pasif. Namun, walaupun bahan-PIM rendah digunakan, jenis sirkuit tertentu mungkin tidak mampu memperbaiki prestasi PIM mereka kerana struktur mereka lebih susah terhadap PIM. Contohnya, Rogers Corp. menggunakan bahan papan sirkuit RO4534 tebal 32.7 juta untuk melakukan eksperimen berkaitan. Karakteristik laminat antena ini adalah: Dk 3.4, toleransi ±0.08, dan faktor kehilangan rendah (kehilangan rendah) 0.0027 pada 10 GHz.