PCB科技 - PCB公司對毫米波頻段帶狀線設計的分析

PCB公司對毫米波頻段帶狀線設計的分析

儘管毫米波頻率下的印刷電路板（PCB）的設計和製造是從考慮電路資料開始的，但傳輸線科技的選擇對電路在高頻下的效能起著相當大的作用。 隨著蜂窩和無線通訊繼續佔據RF/微波頻帶，導致頻寬變窄，而毫米波可以提供足够的頻寬，科學研究人員更關心短距離、低功耗的系統（如汽車雷達和第五代（5G）無線網路）。 對毫米波頻率的興趣持續增長。 作為毫米波頻率下常用的傳輸線科技，電路設計者可能首先想到微帶線、接地共面波導（GCPW）甚至矩形波導，但帶狀線的效能如何？ 在緊湊和密集的電路中，帶狀線在24 GHz（許多5G基站將在更高的頻率下工作）或更高頻率下表現良好。 在毫米波頻率下設計和構建帶狀線電路時，需要記住以下幾點。

帶狀線的結構相對獨特，經常與扁平同軸電纜進行比較。 它具有多層結構：中間導體由上下兩個介電層（電路資料）包圍，介電層的外部由頂部和底部的金屬遮罩層包圍。 這些層壓結構新增了電路的複雜性，但在導體和傳輸線之間提供了良好的隔離，囙此可以在RF、微波和毫米波頻率下實現極小的電路（取決於PCB資料的特性）。

儘管帶狀線的複雜性新增了製造時間和成本，但它也表現出一些突出的優點。 除了高度隔離和小型化之外，帶狀線電路的頂部和底部接地平面還有助於降低輻射損耗，尤其是在毫米波頻帶中。 微帶電路的高輻射損耗有時使它們成為不必要的天線。 帶狀線可能不像微帶線或GCPW那麼簡單，但對於某些毫米波電路設計，它可能是傳輸線的最佳選擇，尤其是在高性能（無干擾）密集封裝電路或對輻射和電磁干擾（EMI）敏感的電路中。

幸運的是，通過多次實驗證明效果良好的設計和製造技術，帶狀線PCB的優异效能始終可以在77GHz或更高頻率下“應用”。 如果你需要快速瞭解微帶線和GCPW，可以點擊之前的科技微學校視頻“毫米波頻段微帶線和接地共面波導的性能比較”（點擊直接跳轉）瞭解更多資訊。

與其他傳輸線格式一樣，帶狀線電路將隨著頻率的新增而收縮，以適應毫米波等小波長的電路。 然而，由於其獨特的多層結構，電路將始終能够保持高度隔離。 帶狀線電路也具有更寬的頻寬，囙此單個毫米波電路的設計可以支持多種應用。 在毫米波頻率下設計和實現帶狀線電路時，必須採取適當的預防措施，以實現盡可能好的效能，避免不必要的訊號，例如與寬帶覆蓋相關的寄生訊號模式。 PCB資料的選擇對毫米波頻率帶線電路的效能起著關鍵作用。

需要注意的事項

由於毫米波電路的波長較短，囙此通常使用薄的層壓板。 然而，即使使用非常薄的介電材料，帶狀線及其多層電路在給定頻率下通常也比微帶或GCPW電路厚。 在較高頻率下，PCB電介質資料的一致性對訊號傳播的一致性至關重要（電腦輔助類比）。 在毫米波頻率下，帶狀線電路中的多層電介質資料結構將比微帶和GCPW電路具有更高的介電損耗和插入損耗。 然而，通過選擇低介電損耗或低損耗因數（Df）電路資料，即使在毫米波頻率下，也可以控制並最小化帶狀線插入損耗。

對於毫米波頻率下的帶狀線電路，由於波長小並且通常在較薄的介電材料上處理，銅箔導體的表面粗糙度可能是一個問題。 與銅箔導體表面更光滑相比，銅箔導體表面越粗糙，電磁波在導體中的傳播速度就會减慢。 此外，導體和PCB的表面粗糙度不一致會導致訊號在PCB上的電磁傳播特性發生變化，尤其是在毫米波頻率下的相位特性發生變化。

銅表面粗糙度的變化會導致PCB資料的分散性發生變化。 PCB的色散是導體和介電材料的函數。 不一致的色散可能不會影響RF甚至微波頻率下的電路，但它會導致一些在毫米波頻率下對此敏感的電路的相位響應發生變化。

與從同軸連接器到微帶或GCPW電路的相對簡單的訊號轉換相比，帶狀線電路需要適當的準備來實現從同軸連接器向PCB的有效訊號轉換。 在微帶電路中，假設連接器中心導體和具有單個接地平面的電路傳輸線具有相同的阻抗（例如，50島），直接連接通常可以有效地將訊號能量從連接器傳輸到電路。

因為帶狀線電路的訊號平面不在表面上，所以從同軸連接器到帶狀線電路之間的訊號轉換需要多次嘗試。 為了將連接器的中心導體與帶狀線路電路導體連接，只能通過金屬化過孔（PTH）來實現。 由於工作頻率的小波長，從連接器中心導體到帶狀線訊號平面的訊號饋送或轉換通常通過具有極小直徑的金屬化過孔。 為了在帶狀線電路中形成均勻的接地平面，通常使用類似的PTH過孔來連接電路的頂部和底部接地平面以最小化不同接地平面中的電流密度差异的可能性。 當然，最小化轉換PTH的長度是很重要的。 在帶狀線電路中，訊號路徑中任何不必要的長度都可能導致反射和回波損耗减少，甚至產生寄生或諧波訊號。

哪種類型的層壓板最適合毫米波頻率下的帶狀線電路？ RogersâRO3003â¢層壓板就是一個例子，它是一種陶瓷填充聚四氟乙烯（PTFE）複合材料。 整個資料的介電常數保持在3.00±0.04以內，具有77GHz汽車雷達毫米波頻帶電路所需的一致性。 RO3003層壓板在10GHz下具有低至0.0010的Df，並且具有優异的溫度穩定性。 同時，該資料在三個軸上也具有一致的熱膨脹係數（CTE）。 CTE一致性可以確保在毫米波頻率的帶狀線中的極小過孔可以在整個溫度範圍內保持完整性和高。 可靠性