PCB科技 - PCB結構對毫米波雷達效能的影響

普通複合材料的介電層 印刷電路板 (PCB) mostly uses glass fiber as filling 材料, 但由於玻璃纖維的特殊編織結構, the local dielectric constant (Dk) of PCB board will change. Especially at millimeter wave (mmWave) frequencies, 較薄層壓板的玻璃編織效應將更加明顯, Dk的局部不均勻性將導致射頻電路和天線效能的顯著變化. The influence of PCB structure on transmission line performance was studied by 100mm thick glass woven polytetrafluoron (PTFE) laminate. 發現印刷電路板的介電常數在0.01和0.22根據不同的玻璃編織結構. 為了研究不同玻璃編織結構對天線效能的影響, 在Rogers商用層壓板RO4835和RO4830上製作了串聯饋電微帶貼片陣列天線, 分別地, 實驗結果表明：按正常公差用RO4830層壓板加工的天線的電效能與計算值更為一致, with smaller changes and better reflection coefficients (S11 & LT; -- 10dB) and view-axis gain performance.

自主汽車是當前的研究熱點。 它可以幫助駕駛員和行人避免潜在的致命事故，並且需要高可靠性。 囙此，它還要求其電路具有高可靠性。 毫米波雷達結構緊湊，環境檢測靈敏度高，為自動駕駛中的目標檢測提供了可靠的解決方案。 在76至81GHz頻率的商用毫米波雷達系統中，串聯饋電微帶貼片天線以其易於設計、結構緊湊、能够以低成本大量製造而聞名[1]。 頻率越高，波長越小，囙此在毫米波頻率下工作的傳輸線和天線將小於在低頻下工作的傳輸線和天線。 為了保證機載雷達的理想效能，有必要研究PCB對傳輸線和微帶貼片天線的影響。 對於長時間在室外環境中工作的毫米波頻率電路（受溫度和濕度影響）[2]，在選擇PCB線路層壓板時，資料性能指標的一致性是首要考慮的因素。 然而，銅箔、玻璃纖維增强資料、陶瓷填料和其他構成層壓板的資料將對高頻下指數的一致性產生很大影響。

本文主要研究了PCB結構對毫米波雷達效能的影響。 大多數PCB層壓板的介電層通常是通過在玻璃纖維布上塗覆聚合物樹脂形成的。 在毫米波頻率下，玻璃纖維布對資料效能一致性的影響非常明顯，因為玻璃束的寬度等於傳輸線的寬度。 此外，當使用薄（例如100mm）PCB線路層壓板設計微帶天線時，玻璃編織物可能會導致天線效能的顯著變化，並降低加工成品率。

層壓板的組成

層壓板通常是由玻璃纖維布與聚合物樹脂結合形成一個介電層，然後在兩側覆蓋銅箔。 玻璃布的典型介電常數（Dk）很高，約為6.1，而低損耗聚合物樹脂的介電常數在2.1到3.0之間，囙此Dk在小範圍內變化。 圖1顯示了層壓板中玻璃編織纖維的微觀俯視圖和橫截面圖。 “轉向節束”上方的電路因其高玻璃纖維含量而具有高Dk，而“束開路”上方的電路因其高樹脂含量而具有低Dk。 此外，玻璃織物的特性受玻璃織物的厚度、織物之間的距離、織物的平整管道和每個軸的玻璃含量的影響。

該層壓板在10GHz下的介電常數為3.48，損耗角正切為0.0037（基於IPC TM-650 2.5.5.5標準測試）。 此外，RO4830層壓板的介電常數為3.24，損耗角正切為0.0033（基於ipCTN-650 2.5.5.5標準測試）。 RO4835層壓板由1080型標準編織不平衡玻璃布製成，並用陶瓷填料加固。 相比之下，RO4830層壓板採用1035型扁平開放式玻璃纖維編織和填充較小顆粒的陶瓷增强。 錶3進一步比較了基於RO4835和RO4830的層壓板的特性。

如圖5（a）和（b）所示，選擇處理後滿足設計尺寸且其天線傳輸線與RO4835層壓板的“關節波束連接區”和“波束開口區”對齊的天線。 由於RO4830層壓板採用扁平開放纖維的玻璃編織結構，囙此無需考慮導體是否與RO4830層壓板中的玻璃布對齊，如圖5（c）所示。 分別量測了加工天線的反射係數（S11）和光軸增益。

圖5與RO4835層壓板上的“轉向節波束接合區”和“波束開口區”對齊的天線，以及與RO4830層壓板上的天線樣本對齊的天線

為了簡單起見，本文給出的結果來自於幾個被測天線測試數據的平均值，並將量測結果與模擬結果進行了比較。 圖6顯示了RO4835層壓板上的天線測試結果（五個樣本）。 “彎梁交叉區”和“梁開口區”的反射係數（S11）和軸向增益發生顯著變化。 RO4835上天線的效能取決於導線與“關節連接區”和“波束開放區”的對齊情况。 此外，天線增益也會發生變化

s隨頻率變化，表明介電常數也在變化。 此外，頻率越高，介電常數越低。

圖6 RO4835層壓板的“關節波束連接區（KB）”和“波束開放區（BO）”天線樣本的量測結果與類比結果的比較

通過比較圖7所示RO4830層壓板上的天線效能，測試中獲得的天線效能非常一致，並且與RO4830層壓板的類比值更一致。 量測結果與類比結果的一致性表明，層壓板的介電常數發生了變化。 相反，在標準編織RO4835層壓板中，視軸增益變化4 dB，而在平開口編織RO4830層壓板中，僅變化2 dB。 通過這些簡單的實驗，使用具有扁平開放玻璃纖維編織結構風格的Rogers RO4830層壓板可以獲得更一致的天線效能，例如反射率和軸向增益。

圖7 RO4830層壓板上天線樣品的量測結果和類比結果比較

結論

層壓板的結構會影響傳輸線和天線效能。 玻璃布的結構也會改變層壓板的介電常數，這將降低產品效能並影響產品的成品率。 與RO4835層壓板相比，用RO4830層壓板加工的天線具有更好的效能一致性。 天線效能和加工成品率的提高主要歸因於層壓資料的結構，即扁平開放纖維的玻璃編織、較少的玻璃含量（遠離玻璃纖維的導體）、較厚的基板等。天線效能的提高還與資料的電效能有關，如RO4830層壓， 具有較低的介電常數和較低的損耗角正切值。 囙此，在小波長毫米波頻率雷達的應用中，用Rogers RO4830層壓板處理的天線的效能和一致性優於用RO4835層壓板處理的天線。