電路圖形精度在毫米波電路中的重要性

在過(guò)去的幾年里，毫米波（mmWave）應(yīng)用穩(wěn)步增長(zhǎng)。這種增長(zhǎng)也來(lái)自于半導(dǎo)體行業(yè)帶動(dòng)，可量產(chǎn)具有良好毫米波性能的芯片。隨著毫米波應(yīng)用的增加，電子工業(yè)的很多方面，包括PCB行業(yè)，都不得不進(jìn)入一個(gè)快速學(xué)習(xí)過(guò)程。總的來(lái)說(shuō)，電路板的質(zhì)量對(duì)毫米波應(yīng)用的重要性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于低頻電路。具體地說(shuō)，這些問(wèn)題主要涉及電路圖形的一致性，例如導(dǎo)體線寬、形狀和間距以及基板厚度、銅箔厚度和表面處理等等的一致性。

由于波長(zhǎng)的原因，毫米波電路對(duì)加工的電路圖形準(zhǔn)確度非常敏感。信號(hào)波長(zhǎng)指是沿著波的傳播方向，相鄰兩個(gè)相位相差2π的之間的距離。例如在介電常數(shù)為3.0的層壓板制作一個(gè)微帶線電路，在2.3英寸的長(zhǎng)度內(nèi)，該電磁波相位剛好360度變化，2.3英寸的長(zhǎng)度就是電路中的信號(hào)波長(zhǎng)，該相位變化也被稱(chēng)為“相位角”。

若波的傳播中遇到0.023英寸的異常，那么該異常相當(dāng)于波長(zhǎng)的1%或約3.6度，相對(duì)于波長(zhǎng)而言，這么小的異常對(duì)信號(hào)幾乎沒(méi)有影響。但是，在毫米波頻率下則不一樣。例如在77 GHz頻率下，信號(hào)的波長(zhǎng)約為0.095英寸左右，若該信號(hào)的路徑上同樣出現(xiàn)了0.023英寸的異常，那么該異常相當(dāng)于波長(zhǎng)的24%或87度左右。該24%的異常情況則可能影響整個(gè)波的傳播，造成波形畸變和其它不必要的性能影響。

另外，在毫米波頻段，電路結(jié)構(gòu)中使用的PCB高頻材料通常較薄。薄層壓板意味著需設(shè)計(jì)較窄的導(dǎo)體寬度才能得到如50歐姆的特定阻抗。對(duì)于大多數(shù)低頻應(yīng)用來(lái)說(shuō)，±0.5mil的導(dǎo)體蝕刻公差通常是可以接受和足夠的；但是對(duì)于毫米波電路，該公差可能不足以得到良好和一致的RF特性。這是因?yàn)樵谡瓕?dǎo)體上，總變化量為1mil引起的阻抗變化相對(duì)于寬導(dǎo)體來(lái)說(shuō)更大。

汽車(chē)?yán)走_(dá)傳感器的天線陣列區(qū)域的一些阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的導(dǎo)體寬度僅有5 mil。從5mil到6mil的1mil變化就會(huì)產(chǎn)生約6Ω的阻抗差。但是，當(dāng)在低頻段使用厚基板的電路中，1mil的導(dǎo)體寬度差也許只產(chǎn)生不到1Ω的阻抗差。電路加工過(guò)程中的很多方面都會(huì)改變電路阻抗，而對(duì)于從事毫米波電路加工的PCB廠來(lái)說(shuō)，能夠做到優(yōu)異的蝕刻精度控制將會(huì)是一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)。

有多種不同的RF平面?zhèn)鬏斀Y(jié)構(gòu)可以在毫米波電路中被采用，其中微帶線結(jié)構(gòu)是RF性能受電路加工過(guò)程的正常變化的影響最小的傳輸線。微帶線結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，通常在RF多層板的表面兩層，比如頂層信號(hào)線而接下來(lái)的第二層就是地層。另一個(gè)常用結(jié)構(gòu)是接地共面波導(dǎo)（GCPW）。該結(jié)構(gòu)也是一個(gè)雙層電路，但是頂層信號(hào)有三個(gè)銅箔區(qū)域，通常被定為“地/信號(hào)/地”。該結(jié)構(gòu)非常有利于在毫米波頻段下最大限度地減少某些不必要的波特性，但是電路加工過(guò)程中的正常變化對(duì)這種結(jié)構(gòu)的影響相對(duì)越大。

GCPW結(jié)構(gòu)中的“地/信號(hào)/地”導(dǎo)體之間的間隙非常重要。若該間隙變化較大，則會(huì)造成電路的RF性能變化也較大。不過(guò)，實(shí)際情況要復(fù)雜得多。在頂層信號(hào)層上，位于信號(hào)導(dǎo)體兩側(cè)的相鄰地之間存在強(qiáng)電場(chǎng)。從橫截面上來(lái)看，若導(dǎo)體側(cè)壁豎直，那么空氣中將有較多電場(chǎng)。但是，若是梯形導(dǎo)體，則空氣中的電場(chǎng)會(huì)減少，基板中將增加。

間隙中空氣的這些電場(chǎng)的差異會(huì)影響信號(hào)波的有效介電常數(shù)?？諝獾慕殡姵?shù)大約是1，當(dāng)電場(chǎng)較多在空氣時(shí)，信號(hào)傳播的有效介電常數(shù)會(huì)降低，從而影響RF電路特性。在毫米波頻段下這種情況尤其明顯。為了使GCPW在毫米波頻段下有更穩(wěn)定的RF性能，導(dǎo)體寬度和間距的控制是很重要的，同時(shí)，保證導(dǎo)體形狀一致也非常重要。

為了獲得導(dǎo)體寬度、間距和形狀的一致性，電路加工過(guò)程中有很多需要考慮的事項(xiàng)。對(duì)于導(dǎo)體形狀一致性來(lái)說(shuō)，使用加成法的顯影和刻蝕工藝通常比減成法更好一些。但是，對(duì)于導(dǎo)體的梯形狀來(lái)說(shuō)，即使使用加成法也會(huì)有一些顧慮。使用減成法時(shí)，導(dǎo)體形狀通常是翻轉(zhuǎn)的梯形而也會(huì)有相同顧慮。

另一種方法有助于導(dǎo)體形狀一致性和蝕刻精度控制的措施是使用薄銅箔。薄銅箔可以減少梯形形狀，使導(dǎo)體寬度和蝕刻間距更易于控制。羅杰斯公司有多種可用于毫米波頻段的高頻電路材料，均可提供1/4盎司（9 μm）厚度的銅箔選項(xiàng)。使用這種超薄銅箔的層壓板更利于PCB板廠獲得更一致的導(dǎo)體形狀、寬度和間距等特性。

電路圖形的變化和微小異常對(duì)于低頻電路通常是可以接受的，但毫米波電路的性能對(duì)電路圖形的變化和微小的電路異常敏感。PCB板廠面臨如需要更嚴(yán)格的導(dǎo)體寬度和間距的控制問(wèn)題，同時(shí)也面臨導(dǎo)體形狀更一致的問(wèn)題。使用加成法有助于提高這類(lèi)毫米波電路的加工需求，同時(shí)，采用薄銅箔的層壓板也有利于優(yōu)化和提高精度。






審核編輯：劉清