微波技術 - RO4350B PCB微帶線在24GHz下的插入損耗

高頻PCB設計工程師通常從以下幾個方面選擇高頻PCB資料。

1.介電常數低

2.低損耗係數

3.頻率穩定

4.穩定的通貨膨脹和收縮

5.PCB成本（材料成本、設計測試製造成本）

羅傑斯公司生產的RO4350B是一種低損耗的碳氫樹脂和陶瓷填料層壓板和半固化片材資料，具有優异的高頻效能（通常可應用於30GHz以下）。 由於RO4350B採用標準環氧樹脂/玻璃（FR-4）加工技術進行加工，囙此其生產線加工成本也較低。 可以說，RO4350B實現了成本和高頻效能的優化，是最具成本效益的低損耗高頻資料。 為了更好地滿足設計要求，我們在設計微帶陣列天線時，測試了基於RO4350B資料的微帶傳輸線在24GHz下的插入損耗。

微帶線的插入損耗分析

微帶線的插入損耗主要包括導體損耗、介電損耗、表面波損耗和輻射損耗，其中導體損耗和介電損耗是主要的損耗。 趨膚效應使微帶線上的高頻電流集中在導電帶的薄層和直接接觸電介質襯底的接地板上，等效交流電阻遠大於低頻情况。 當工作頻率低於10GHz時，微帶線的導體損耗遠大於介電損耗。 當工作頻率上升到24GHz時，介電損耗超過導體損耗。

微帶線插入損耗的HFSS計算結果

對於HFSS計算的不同長度微帶線的插入損耗，介質襯底為RO4350B，厚度為20密耳。 從上圖可以看出，微帶線的插入損耗約為17dB/m，其中金屬損耗、介電損耗和其他損耗分別為4.47dB/m、11.27dB/m和1.26dB/m。 為了進行比較，錶1顯示了通過MWI2016計算的微帶線的插入損耗。 可以看出，在相同條件下，MWI的計算值為24.4dB，其中介電損耗值接近，但導體損耗值為7dB。 產生差异的原因是在HFSS模型中沒有考慮導帶和接地板的表面粗糙度。

降低微帶線插入損耗的措施

1.合理選擇板厚，减少焊接電阻層

對於具有相同特性阻抗的微帶線，導體損耗隨著介質厚度的新增而减小，而介質損耗基本不變。 原因是電介質襯底越厚，微帶線寬度越窄，高頻電流越集中，導體損耗越大。 值得注意的是，焊料掩模介質在24GHz下的較大損耗正切角將新增微帶線的插入損耗。 囙此，在設計24GHz微帶天線時，需要對天線區域進行焊接和開窗。

2.首選LoPro銅箔

導條和接地板的銅箔表面粗糙度也是影響微帶線插入損耗的重要因素。 銅箔表面越光滑，導體損耗就越小。 RO4350B提供電解銅箔（ED）和低粗糙度反向處理銅箔（LoPro）。 ED銅箔的表面粗糙度約為3um，LoPro銅箔可以達到0.4um，囙此可以有效降低導體損耗。 與兩種銅箔的插入損耗相比，介質襯底厚度為0.1mm。在24GHz下，LoPro銅箔微帶線的插入損耗比ED銅箔的插入損失小40%。

電解銅和反向銅的插入損耗比較

3.合理選擇表面處理工藝

表面處理工藝也是影響導體損耗的因素之一。 常見的表面處理工藝有四種，包括銀沉澱、金沉澱（鎳金）、鎳金沉澱（鎳3-5 um，金2.54-7.62 um）和錫沉澱。 錶2顯示了這些金屬的電參數，其中鎳是一種具有600的介電常數的鐵磁資料。 根據趨膚深度的計算公式，鎳的趨膚深度比其他金屬小一個數量級，囙此鎳的表面電阻比其他金屬大幾十倍，導致鎳金工藝的導體損耗比其他工藝大得多。 由於裸銅、銀沉澱和鎳金表面處理工藝的插入損耗，襯底的厚度為20密耳。 從圖中可以看出，銀沉積工藝的插入損耗與裸銅的插入損耗相似，但鎳金表面處理後的微帶線的插入損耗要大4dB/m（10GHz），可以預測在24GHz時會更大。

鎳金工藝與裸銅工藝插入損耗的比較

當我們使用RO4350B介質基板設計24GHz微帶天線或微帶電路時，需要根據效能和成本要求，綜合考慮介質板厚度、鍍銅類型和表面處理工藝。 該結論同樣適用於羅傑斯RO4000和RO3000系列的大多數資料。