Công nghệ PCB - Ảnh hưởng của cấu trúc PCB trên radar sóng milimet

Các lớp điện môi của bảng mạch in tổng hợp (PCB) phổ biến chủ yếu sử dụng sợi thủy tinh làm chất độn. Tuy nhiên, do cấu trúc dệt đặc biệt của sợi thủy tinh, hằng số điện môi cục bộ (DK) của PCB thay đổi. Đặc biệt là ở tần số sóng milimet, hiệu ứng dệt thủy tinh rõ ràng hơn so với tấm mỏng, và sự không đồng đều cục bộ của DK có thể dẫn đến những thay đổi đáng kể về hiệu suất của mạch RF và ăng-ten. Tác động của cấu trúc PCB đối với việc truyền tải năng lượng tuyến tính đã được nghiên cứu bằng cách sử dụng tấm laminate dệt bằng thủy tinh (PTFE) có độ dày 100 μM. Theo các loại cấu trúc dệt thủy tinh khác nhau, hằng số điện môi của bảng PCB dao động từ 0,01 đến 0,22. Để nghiên cứu ảnh hưởng của các cấu trúc dệt thủy tinh khác nhau đối với hiệu suất của ăng-ten, ăng-ten mảng vá microband nguồn cấp dữ liệu nối tiếp đã được thực hiện trên các tấm laminate thương mại Rogers ro4835 và ro4830, tương ứng, Kết quả thí nghiệm cho thấy ăng ten được làm bằng laminate ro4830, có tính chất điện phù hợp với dung sai phương pháp, phù hợp hơn với giá trị tính toán và ít thay đổi hơn, có hệ số phản xạ tốt (S11<10dB) và hiệu suất tăng Los.

Xe tự lái là một điểm nóng trong nghiên cứu hiện tại. Nó có thể giúp người lái xe và người đi bộ tránh tai nạn có thể gây tử vong và đòi hỏi độ tin cậy cao. Do đó, yêu cầu mạch điện phải có độ tin cậy cao. Với cấu trúc nhỏ gọn và độ nhạy phát hiện môi trường cao, radar sóng milimet cung cấp một giải pháp đáng tin cậy để phát hiện mục tiêu trong lái xe tự động. Trong số các hệ thống radar mmWave thương mại 76-81GHz, ăng-ten microband nạp song song rất phổ biến vì thiết kế đơn giản, cấu trúc nhỏ gọn, sản xuất hàng loạt và chi phí thấp. Tần số càng cao, bước sóng càng nhỏ. Do đó, các đường truyền và ăng ten hoạt động ở tần số sóng milimet sẽ có kích thước nhỏ hơn so với tần số thấp. Để đảm bảo hiệu suất lý tưởng của radar gắn trên xe, cần nghiên cứu ảnh hưởng của PCB trên đường truyền và ăng ten microband. Đối với các mạch tần số sóng milimet [2] hoạt động trong môi trường ngoài trời trong thời gian dài (bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ và độ ẩm), tính nhất quán của các chỉ số hiệu suất vật liệu là cân nhắc hàng đầu khi chọn bảng mạch PCB. Tuy nhiên, lá đồng, gia cố sợi thủy tinh, chất độn gốm và các vật liệu khác tạo nên laminate có thể có tác động lớn hơn đến tính nhất quán của các chỉ số ở tần số cao.

Ứng dụng của radar mmWave

Bài viết này chủ yếu xem xét ảnh hưởng của cấu trúc PCB đối với hiệu suất radar sóng milimet. Lớp điện môi của hầu hết các tấm laminate PCB thường được hình thành bằng cách phủ nhựa polymer lên vải sợi thủy tinh. Ở tần số sóng milimet, ảnh hưởng của vải sợi thủy tinh đối với tính đồng nhất của vật liệu là rất rõ ràng, vì chiều rộng của chùm thủy tinh bằng với chiều rộng của đường truyền. Ngoài ra, vải dệt thủy tinh có thể gây ra những thay đổi đáng kể về hiệu suất của ăng-ten và làm giảm tỷ lệ hoàn thành chế biến khi sử dụng bảng mạch PCB mỏng (ví dụ: 100μm) để thiết kế ăng-ten microband.

Thành phần của laminate

Laminate thường được làm bằng vải sợi thủy tinh và nhựa polymer, tạo thành một lớp điện môi, sau đó phủ lá đồng ở cả hai bên. Hằng số điện môi điển hình (DK) của vải thủy tinh cao hơn, khoảng 6,1, trong khi nhựa polymer tổn thất thấp có hằng số điện môi từ 2,1 đến 3,0, do đó có một sự khác biệt nhất định trong một khu vực nhỏ. Hình 1 cho thấy một cái nhìn vi mô và một mặt cắt ngang của sợi dệt thủy tinh trong laminate. Các mạch phía trên bó lái có DK cao hơn do hàm lượng sợi thủy tinh cao hơn, trong khi các mạch trên các lỗ mở bó có DK thấp hơn do hàm lượng nhựa cao hơn. Ngoài ra, hiệu suất của vải thủy tinh cũng bị ảnh hưởng bởi độ dày của vải thủy tinh, khoảng cách giữa các loại vải, phương pháp làm phẳng vải và hàm lượng thủy tinh của từng trục.

Hai mẫu dệt điển hình của vải thủy tinh mỏng, 1080 và 1078, thường được sử dụng trong các tấm laminate mỏng cho các ứng dụng sóng milimet, như trong Hình 2. Vải thủy tinh không cân bằng được sử dụng để dệt tiêu chuẩn 1080. Một trục có hàm lượng thủy tinh cao hơn các trục khác. 1078 mở sợi thủy tinh dệt có một bề mặt sợi thủy tinh đồng nhất hơn vải dệt 1080, do đó DK ít thay đổi trên toàn bộ laminate. Sự thay đổi đáng kể hơn về giá trị DK của tấm vải thủy tinh một lớp so với tấm vải thủy tinh nhiều lớp. Ngoài ra, vật liệu laminate có chứa chất độn gốm có thể làm giảm sự thay đổi DK do các phương pháp dệt khác nhau của vải thủy tinh.

Chế độ xem vi mô của cấu trúc vải thủy tinh 1080 (dệt không cân bằng mở) và 1078 (sợi mở)

Ảnh hưởng đến mạch đường truyền

Thí nghiệm thử nghiệm này sử dụng mạch dây truyền microband với đầu nối đầu cuối 1mm. Đầu nối đầu tiên được kết nối với ống dẫn sóng đồng mặt đất 50 ohm (GCPW) và được chuyển đổi thành đường truyền microband trở kháng cao thông qua bộ chuyển đổi trở kháng. Như thể hiện trong Hình 3, chiều dài của đường truyền microband là 2 inch, đảm bảo mạch thí nghiệm có thể kiểm tra hiệu quả của cấu trúc dệt thủy tinh. Mạch được làm từ các tấm laminate dệt bằng thủy tinh (PTFE) sử dụng đồng lịch và vải thủy tinh một lớp. Để so sánh hiệu quả của các cấu trúc dệt thủy tinh khác nhau, mạch đường truyền đã được thực hiện trên ba tấm laminate PCB khác nhau, đó là PTFE PTFE với vải thủy tinh 1080, PTFE với vải thủy tinh 1078 và PTFE với vải thủy tinh 1080. Kiểm tra mạch được xử lý cẩn thận, chọn đường truyền thích hợp để kiểm tra và đo biên độ và đặc tính góc pha của mạch. Hằng số điện môi của laminate được xác định bởi ba tham số: góc pha (giá trị pha mở rộng), độ trễ nhóm (dựa trên góc pha thay đổi theo tần số) và độ trễ truyền (tính theo góc pha).

Ảnh hưởng đến hiệu suất ăng ten

Mảng ăng-ten microband được nạp song song là ăng-ten điển hình của radar gắn trên xe sóng milimet. Để nghiên cứu hiệu ứng sợi thủy tinh đối phó với tác động của hiệu suất ăng-ten, một ăng-ten microband 1 * 4 nối tiếp được thiết kế với dải tần hoạt động 76-81 GHz [3]. Như trong hình 4, ăng-ten được làm từ hai tấm vải thủy tinh khác nhau, ro4835 và ro4830. Ăng-ten bao gồm các phần tử liền kề nối đất để nghiên cứu hiệu ứng ghép nối của chúng.

Tandem feed microband vá mảng trên rogers ro4835 và rogers ro4830 laminate

Hằng số điện môi của laminate là 3,48 ở 10 GHz và góc mất là 0,0037 (dựa trên thử nghiệm tiêu chuẩn IPC TM-650 2,5,5,5). Ngoài ra, các tấm laminate ro4830 có hằng số điện môi là 3,24 và góc tổn thất là 0,0033 (dựa trên thử nghiệm tiêu chuẩn ipctm-650 2,5,5,5). Tấm laminate Ro4835 được làm bằng vải thủy tinh không cân bằng dệt tiêu chuẩn 1080 và được gia cố bằng chất độn gốm. Thay vào đó, laminate ro4830 được tăng cường bằng cách dệt sợi thủy tinh mở phẳng 1035 và gốm sứ chứa đầy các hạt nhỏ hơn. Bảng 3 so sánh thêm về hiệu suất của các tấm laminate dựa trên ro4835 và ro4830.