PCB結(jié)構(gòu)對毫米波雷達(dá)性能的影響

常見的復(fù)合材料印制電路板（PCB）其介質(zhì)層大多采用玻璃纖維作為填充料，但是由于玻璃纖維特殊的編織結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致PCB板局部的介電常數(shù)（Dk）會發(fā)生變化。尤其是在毫米波（mmWave）頻率下，較薄層壓板的玻璃編織效應(yīng)會更加明顯，Dk的局部不均勻會導(dǎo)致射頻（RF）電路和天線性能發(fā)生明顯的變化。采用100μm厚的玻璃編織聚四氟乙烯（PTFE）層壓板，研究其PCB結(jié)構(gòu)對傳輸線性能的影響，根據(jù)不同玻璃編織結(jié)構(gòu)的類型，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)PCB板的介電常數(shù)波動范圍在0.01和0.22之間。為了研究不同玻璃編織結(jié)構(gòu)對天線性能的影響，在羅杰斯的商用層壓板RO4835和RO4830熱固性層壓板上分別制作了一個串聯(lián)饋電微帶貼片陣列天線，并對其進(jìn)行研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：采用RO4830層壓板按照正常公差加工的天線其電性能與計(jì)算值更加吻合，變化更小，并且具有較好的反射系數(shù)（S11 <–10dB）和視軸增益性能。

自動駕駛汽車是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)，它可以幫助駕駛員和行人避免潛在的致命事故，要求具有高可靠性，因此也要求其組成電路必須具有高可靠性。毫米波（mmWave）雷達(dá)正是因?yàn)槠渚哂薪Y(jié)構(gòu)緊湊、環(huán)境探測靈敏度高等諸多優(yōu)點(diǎn)，為自動駕駛中的目標(biāo)檢測提供了可靠的、精確的解決方案。在76至81GHz頻率下的商用毫米波雷達(dá)系統(tǒng)中，串聯(lián)饋電的微帶貼片天線因其易于設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)緊湊、能夠大批量、低成本【1】制造而成為首選。頻率越高波長越小，因此與低頻相比，工作于毫米波頻率下的傳輸線和天線尺寸會更小。為了確保車載雷達(dá)的理想性能，需要研究PCB對傳輸線和微帶貼片天線的影響。對于長時間工作在室外環(huán)境下（受溫度和濕度影響）的毫米波頻率電路【2】，在選擇PCB線路層壓板時，首要考慮的是材料性能指標(biāo)的一致性。但是，構(gòu)成層壓板的銅箔、玻璃纖維增強(qiáng)材料、陶瓷填料等材料在高頻下都會對指標(biāo)的一致性產(chǎn)生較大影響。

本文主要研究PCB結(jié)構(gòu)對毫米波雷達(dá)性能的影響。大多數(shù)PCB層壓板的介質(zhì)層通常是通過在玻璃纖維布上涂布聚合樹脂形成的。在毫米波頻率下，玻璃纖維布對材料性能一致性的影響非常明顯，這是因?yàn)椴Ａ膶挾扰c傳輸線的寬度相當(dāng)。此外，當(dāng)采用較?。ɡ纾?00μm）的PCB線路層壓板來設(shè)計(jì)微帶天線時，玻璃編織布會引起天線性能的顯著變化并降低加工成品率。

PCB層壓板的組成

PCB層壓板通常是將玻璃纖維布與聚合樹脂組合形成介質(zhì)層，再在其兩側(cè)覆蓋銅箔制成。玻璃布的典型介電常數(shù)（Dk）較高，約為6.1，而低損耗聚合物樹脂的介電常數(shù)Dk在2.1-3.0之間，這樣在較小的區(qū)域內(nèi)Dk有一定的差異。圖1顯示了層壓板中玻璃編織纖維的微觀頂視圖和橫截面視圖?！爸腹?jié)交束區(qū)（Knuckle-Bundle）”上方的電路由于玻璃纖維含量較大而具有較高的Dk，而“束開口區(qū)（Bundle-Open）”上的電路由于樹脂含量較大而具有較低的Dk。此外，玻璃編織布的特性受到玻璃織物的厚度、織物之間的距離、織物的扁平化方式以及每個軸的玻璃含量等多個因素影響。

圖1 玻璃纖維布層壓板的微觀頂視圖和橫截面圖

在毫米波應(yīng)用的薄層壓板中，經(jīng)常用到兩種典型的薄玻璃布編織樣式，分別是1080型和1078型，如圖2所示。1080型標(biāo)準(zhǔn)編織采用了不平衡玻璃布，該型號的玻璃布其中一個軸的玻璃含量高于另一個軸。與1080型編織布相比，1078型開纖的玻璃編織具有更均勻的玻璃纖維平面，因此整個層壓板上的Dk變化較小。與使用多層玻璃布層壓板相比，單層玻璃布層壓板的Dk值變化更為顯著。另外，具有陶瓷填料的層壓板材料可以減少因玻璃布編織方式不同而造成的Dk變化。

圖21080型（開口不平衡編織）和1078型（開纖）玻璃布結(jié)構(gòu)的微觀視圖

對傳輸線電路的影響

本次測試實(shí)驗(yàn)使用的是微帶傳輸線電路，采用的1 mm端接連接器。連接器首先連接到50歐姆接地共面波導(dǎo)（GCPW），通過阻抗變換器將其轉(zhuǎn)換為高阻抗微帶傳輸線。如圖3所示，微帶傳輸線的長度為2英寸，確保了實(shí)驗(yàn)電路能夠測試出玻璃編織結(jié)構(gòu)所帶來的影響。電路采用玻璃編織聚四氟乙烯（PTFE）的薄層壓板加工，使用壓延銅和單層玻璃布。為了比較不同的玻璃編織結(jié)構(gòu)帶來的影響，在三種不同的PCB層壓板結(jié)構(gòu)上制作了傳輸線電路，分別采用：1080型玻璃布的PTFE聚四氟乙烯、1078型玻璃布的PTFE聚四氟乙烯、1080型玻璃布的陶瓷填充非PTFE層壓板。對加工后的電路進(jìn)行仔細(xì)檢查，分別篩選合適的傳輸線進(jìn)行測試，測量電路的幅度和相角特性。通過相位角（展開后的相位值）、群延遲（基于隨頻率變化的相位角）、傳播延遲（根據(jù)相位角計(jì)算）這三個參數(shù)來確定層壓板的介電常數(shù)變化。

圖3 采用GCPW信號饋入的微帶傳輸線

表1顯示了與“指節(jié)交束區(qū)”以及與“束開口區(qū)”對準(zhǔn)的傳輸線電路的原始群延遲、傳播延遲和相位差。可以看到，Dk值越高，電磁波的傳播速度就越慢，這與群延遲、傳播延遲和相位差增加相吻合。根據(jù)電路的群延遲、傳播延遲和相位差，表2顯示了計(jì)算后的介電常數(shù)變化。1078型開纖的編織層壓板具有均勻的玻璃布分布，因此，與1080型標(biāo)準(zhǔn)編織層壓板相比（Dk值變化為0.22），其Dk值變化較小，僅為0.03。如前所述，陶瓷填充層壓板的Dk變化更小，只有0.02。

對天線性能的影響

串聯(lián)饋電的微帶貼片天線陣是最典型的用于毫米波汽車?yán)走_(dá)的天線。為研究玻璃纖維效應(yīng)對天線性能的影響，設(shè)計(jì)了一個1×4的串聯(lián)饋電微帶貼片天線，其工作頻率范圍為76-81Ghz[3]。如圖4所示，該天線使用RO4835 和RO4830 兩種不同的玻璃布層壓板材料加工而成。該天線由接地的相鄰元件制成，以研究其耦合效應(yīng)。

圖4 加工在RO4835和RO4830層壓板上的串聯(lián)饋電微帶貼片陣列

RO4835層壓板在10GHz下的介電常數(shù)為3.48，損耗角正切為0.0037（基于IPC TM-650 2.5.5.5標(biāo)準(zhǔn)測試）。另外，RO4830層壓板的介電常數(shù)為3.24，損耗角正切為0.0033（基于IPCTM-650 2.5.5.5標(biāo)準(zhǔn)測試）。RO4835層壓板分別采用1080型標(biāo)準(zhǔn)編織的不平衡玻璃布，以及經(jīng)過陶瓷填充物加固的材料。相比，RO4830層壓板采用1035型扁平開纖玻璃編織和陶瓷填充較小顆粒物進(jìn)行增強(qiáng)。表3進(jìn)一步比較了基于RO4835和RO4830層壓板的特性。

挑選出加工后符合設(shè)計(jì)尺寸，并且天線傳輸線與RO4835層壓板的“指節(jié)交束區(qū)”以及“束開口區(qū)”對準(zhǔn)的天線，如圖5（a）和（b）所示。由于RO4830層壓板采用了扁平開纖的玻璃編織結(jié)構(gòu)，因此在RO4830層壓板中不用考慮導(dǎo)體是否與玻璃織物對齊了，如圖5（c）所示。分別測量加工的天線的反射系數(shù)（S11）和視軸增益。

圖5 RO4835層壓板上與“指節(jié)交束區(qū)”以及“束開口區(qū)”對準(zhǔn)的天線，以及RO4830層壓板上的天線樣品

為了簡便起見，本文給出的結(jié)果均來自多個被測天線測試數(shù)據(jù)的平均值，并且將測量結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行了比較。圖6是RO4835層壓板上的天線（五個樣品）測試結(jié)果，在“指節(jié)交束區(qū)”以及“束開口區(qū)”的反射系數(shù)（S11）和視軸增益都發(fā)生了顯著變化。RO4835上的天線性能取決于導(dǎo)線與“指節(jié)交束區(qū)”以及“束開口區(qū)”的對準(zhǔn)情況。此外，天線增益隨頻率也發(fā)生了變化，表明介電常數(shù)也在變化。而且，向高頻的方向的偏移表明介電常數(shù)較低。

圖6 在RO4835層壓板的“指節(jié)交束區(qū)（KB）” 以及“束開口區(qū)（BO）”天線樣品的測量結(jié)果與仿真結(jié)果對比情況

對比如圖7所示RO4830層壓板上的天線性能，測試得到的天線性能是非常一致的，并且與RO4830層壓板的仿真值更加匹配。測量結(jié)果與仿真的一致性表明，層壓板的介電常數(shù)變化最小。兩個結(jié)果對比，視軸增益在標(biāo)準(zhǔn)編織的RO4835層壓板材料中最大變化了4 dB，而在扁平開纖編織的RO4830層壓板中最大變化只有2 dB。通過這樣的簡單的實(shí)驗(yàn)可以得到，通過使用具有扁平開纖玻璃編織構(gòu)造樣式的羅杰斯 RO4830層壓板，可以得到更加一致的反射系數(shù)和視軸增益等天線性能。

圖7 RO4830層壓板上天線樣品的測量結(jié)果與仿真結(jié)果的對比情況

結(jié)論

PCB層壓板的結(jié)構(gòu)會影響傳輸線和天線性能。玻璃布的構(gòu)造方式也會改變層壓板上的介電常數(shù)，從而會降低產(chǎn)品性能并且影響產(chǎn)品的良品率。與RO4835層壓板相比，用RO4830層壓板加工的天線其指標(biāo)性能一致性更好。天線性能和加工良品率的提高主要?dú)w因于層壓材料的結(jié)構(gòu)，即：扁平開纖的玻璃編織、較少的玻璃含量（導(dǎo)體遠(yuǎn)離玻璃纖維）、較厚的基材等。天線性能的提高同樣也與該材料的電性能有關(guān)，就如RO4830層壓板，具有較低的介電常數(shù)和較低的損耗角正切值。因此，在較小波長的毫米波頻率雷達(dá)應(yīng)用中，用羅杰斯RO4830層壓板加工出來的天線性能和一致性優(yōu)于用RO4835層壓板加工出來的天線性能。

參考文獻(xiàn)

1. R. Garg, P.Bhartia, I.Bahl, A. Ittipiboon, “MicrostripAntenna Design Handbook,” Artech House, 2001.

2. J. Coonrod, “Characterizing Circuit Materials at mmWaveFrequencies,” Microwave Journal, Vol 62. Edition 5, May 2019.

3. C. A. Balanis, “Antenna Theory: Analysis and Design,”4th Edition, Chapter 17, Wiley, 2016.