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毫米波電路如何在PCB上實現?

發表時間:2016/12/2  來源:互聯網,RF技術社區  瀏覽次數:9435  
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毫米波電路一貫被認為是非常獨特且僅用于軍事空間等特殊應用的技術。主要原因是毫米波頻率范圍從30到300GHz,該頻段對應的波長短,要求專用元件和電路來適應短波長范圍。目前低頻帶已被日益增加的大量無線設備所使用,毫米波頻段對于未來的通信系統極具吸引力。
 
毫米波頻段已被提議為新興的第五代無線通信技術(5G)標準的一部分,通過可用的無線頻帶連接數十億的物聯網(IoT)設備。其在軍事雷達系統和商用汽車防撞雷達系統中已經被使用。實現高頻段頻帶廣泛應用的主要挑戰還是如何在印刷電路板(PCB)材料上實現毫米波電路的實際設計。介質集成波導(SIW)電路技術可能是一種有效的解決方案。
 
正如先前博客(“平面PCB形式的波導加工”)中所述,SIW結構本質上也是一種平面波導,可以支持毫米波信號甚至更高頻信號的低損耗傳輸。SIW技術相比于微帶線、帶狀線和接地共面波導等傳統傳輸線技術在毫米波波段能夠提供更優良的性能。
 
SIW通常被認為是介于微帶線和介質填充波導(DFW)之間的過渡形式。SIW可以使用許多和微帶線相同的方法加工,而微帶線電路在毫米波頻段必須滿足小尺寸和嚴格加工偏差要求才能實現信號的傳輸。
 
此外,SIW電路不像微帶線電路一樣具有輻射損耗。實際上,SIW電路也不像其他傳輸線技術一樣具有電磁干擾(EMI)等潛在問題。SIW技術為實現緊湊器件加工提供了方法,它不僅適用于濾波器等無源器件,也適用于微波和毫米波波段振蕩器等有源器件。商用電磁仿真軟件可進行SIW電路的輔助設計、仿真和優化,這些軟件都可以有效仿真SIW電路的介質基底對SIW電路的影響。
 
在SIW傳輸線中,首先會在介質材料中形成一個矩形波導。通常使用的電路板材料如羅杰斯公司LoPro&reg;層壓板材料,該材料在10 GHz時的Z向(厚度方向)相對介電常數為3.48。RO4350B&#8482;LoPro&reg;具有較低損特性,已被廣泛用于無線基站功率放大器。他同樣滿足SIW電路的需求,且可以通過FR-4電路材料加工工藝實現低成本的加工。
 
基于如在RO4350B LoPro層壓板等材料上形成的介質填充波導傳輸線,其上下兩面均有覆蓋金屬層(銅箔),然后沿著基板長度方向在兩邊加工成排的導電通孔即可形成SIW電路。這些電鍍通孔用于在PCB材料上形成矩形波導結構的側壁。在形成SIW的嵌入式波導結構中,相比于相同波長條件下的帶狀線和微帶傳輸線,SIW結構利用了更多的導體金屬。這也使得在微波和毫米波頻段SIW結構具有更低的導體損耗。
 
SIW電路加工的關鍵是通孔的形成和通孔的間隙。閉合的間隙因使用了更多的銅導體從而有利于實現低的導體損耗,但這將導致SIW PCB的加工耗時更長且更復雜。而寬間隙可以節省加工時間,但這會增加導體損耗并導致更高的電磁泄露損耗。SIW電路和其他高頻電路一樣具有介質損耗,該損耗和所選的電路基材種類有關。不管是微波頻段還是毫米波頻段的SIW電路及其他所有高頻電路,PCB材料的選擇必須綜合權衡性能和成本。
 
對于SIW可靠性而言,一個重要的PCB材料參數是熱膨脹系數(CTE),該系數描述了電路材料隨溫度上升產生的膨脹情況。SIW中的通孔是穿過介質PCB材料的電鍍通孔(PTHs),隨著溫度的升高,高的CTE值將使電路產生過度的膨脹,進一步導致側壁電鍍通孔承受額外的應力。前面提到的的RO4350B
 
LoPro材料和羅杰斯公司的RO4835 LoPro電路材料均具有穩定的熱膨脹特點,是高可靠SIW電路的理想基材。RO4835 LoPro電路材料在多層電路高層數的加工中已被使用多年,層間互連的電鍍孔具有良好的可靠性。
 
對于高性價比SIW電路的加工,使用RO4835B LoPro 和RO4835 LoPro材料的另一個優勢是可通過標準FR-4環氧/玻璃工藝加工,降低產品加工成本。
 

在毫米波波段,SIW電路具有比機械構件波導和微帶線、帶狀線及接地共面波導等傳統傳輸線更低的損耗。SIW電路和機械構件波導有一些共同點,比如更低的截止頻率。與之相同,SIW電路的工作頻率和帶寬也依賴于電路的設計尺寸。設計者必須理解SIW電路可能工作在更低(或更高)的截止頻率和理想的低損通帶。通過使用微帶線及接地共面波導傳輸線作為饋線實現電路和SIW電路的連接,SIW電路就能與其他傳統傳輸線技術協同互連。

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