應(yīng)用于毫米波頻率的GCPW電路

隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的迅速發(fā)展，低頻以及微波頻段的頻譜資源日益枯竭，越來越多的無線應(yīng)用正在向更高的毫米波（mmWave）頻率拓展。例如：第五代（5G）無線蜂窩移動通信以及高級駕駛員輔助系統(tǒng)（ADAS）等應(yīng)用，均采用了24GHz以上的頻段。但是，信號的功率通常會隨著頻率的增加而降低，因此，毫米波電路技術(shù)必須在充分利用現(xiàn)有信號功率的同時盡量減少信號損耗。在毫米波電路中維持信號功率不僅取決于印刷電路板（PCB）材料，而且還取決于傳輸線技術(shù)的選擇。如果充分考慮到在電路設(shè)計和制造過程中影響因素，那么，在毫米波頻率下采用接地共面波導(dǎo)（GCPW）傳輸線，同時配合使用低損耗的PCB材料，就可以獲得優(yōu)異的電路性能。

與其它高頻傳輸線技術(shù)（如：帶狀線、微帶線）相比，GCPW電路技術(shù)具有天然優(yōu)勢，尤其是在毫米波頻率下。GCPW的結(jié)構(gòu)簡單明了：頂層傳輸線采用“接地－信號－接地（GSG）”結(jié)構(gòu)，中間層為單層的電介質(zhì)層，底層為接地層，頂層和底層的接地層通過電鍍通孔（PTH）互連。雖然GCPW不符合微帶線的簡單結(jié)構(gòu)，但是GCPW比起帶狀線來說（頂部和底部均具有介電層）要簡單得多。與GCPW相比，微帶線雖然結(jié)構(gòu)簡單，但會增加毫米波頻率下的損耗。在毫米波頻率下，微帶傳輸線電路比GCPW電路更容易向外界輻射能量，特別是緊密布局的電路和外殼中，存在潛在的干擾和電磁兼容性（EMC）問題。

然而，GCPW的最終性能應(yīng)用還需要了解電路在實際加工影響，因為在利用各種計算機輔助（CAE）軟件仿真GCPW電路時，材料屬性的各項參數(shù)設(shè)置幾乎都是理想情況下的。所以，這些因素都可能會導(dǎo)致軟件的仿真結(jié)果與實際加工出來的GCPW電路實測結(jié)果之間存在一定差異，特別是對于大批量毫米波電路的設(shè)計。

即使是在加工電路之前，PCB材料的微小變化也會影響GCPW電路的性能，尤其是在毫米波頻率的小波長下，波長對這些變化非常敏感。例如，電介質(zhì)材料的厚度和導(dǎo)體的厚度的變化會導(dǎo)致毫米波頻率下的GCPW性能變化。銅導(dǎo)體中表面粗糙度也會影響GCPW性能，任何其它電鍍層（例如制造GCPW電路的PTH電鍍層）的變化也會影響GCPW性能。

工藝處理

盡管GCPW傳輸線技術(shù)非常適合在毫米波頻率下生產(chǎn)一致性較高的PCB電路，但它仍然必須與高可靠性的線路板材料（如：介電常數(shù)Dk、損耗因子Df）配合使用。此外，毫米波電路的加工工藝必須是可重復(fù)的，以保證電路在大批量生產(chǎn)時能保持良好的一致性。加工工藝的變化可能會導(dǎo)致PCB性能變化。例如，用于連接GCPW電路中兩個接地層的PTH的位置可能會因電路而不同，這個細小差異也會成為性能發(fā)生變化的一個原因。

GCPW導(dǎo)體的形狀可能會因電路而異，從而導(dǎo)致所制造的GCPW電路之間存在性能差異。CAE仿真軟件在對銅箔導(dǎo)體進行建模時，通常會將其假設(shè)成理想的導(dǎo)體形狀（從橫截面視圖看是矩形）。并以此為基礎(chǔ)來預(yù)測給定電路的性能水平。但在實際加工時，大多數(shù)GCPW電路的表面導(dǎo)體加工出來是呈梯形形狀，不同電路的導(dǎo)體都有產(chǎn)生一定程度的變化。這些導(dǎo)體的變化會導(dǎo)致GCPW電路的電氣性能變化，特別是對插入損耗和信號相位角的影響，而且這種變化帶來的影響會隨著頻率的提高而增加。

由于實際導(dǎo)體和理想導(dǎo)體之間的差異，導(dǎo)致了實際電路（加工后導(dǎo)體呈梯形狀）與理想電路（矩形）的性能水平之間存在差別。由于在毫米波頻率下對應(yīng)的信號波長變小，對電路異常敏感，理想的電路導(dǎo)體反應(yīng)出的是電路有效介電常數(shù)和相關(guān)相位響應(yīng)的最小變化，而標準的PCB制造工藝不可避免地存在微小誤差，這也可能會導(dǎo)致電路之間的性能發(fā)生變化。

另外，根據(jù)GSG結(jié)構(gòu)中側(cè)壁間隔的疏密程度，GCPW電路具有不同的耦合量。一般地，相距更近的導(dǎo)體會產(chǎn)生更緊密的耦合。與松耦合GCPW傳輸線相比，緊耦合GCPW電路在共面導(dǎo)體側(cè)壁上具有更大的電流密度。松耦合的GCPW電路對電路制造工藝變化的敏感性更小，因為它們無法獲得額外接地而更表現(xiàn)得非常像微帶傳輸線電路。

任何用于制造毫米波GCPW電路的線路板材料，如羅杰斯公司的RO3003層壓板（z軸的Dk為3.00±0.04，在10 GHz時的Df為0.0010），其銅箔表面（銅箔與介質(zhì)層相交處）的粗糙度將影響在該材料上制造的電路的性能，尤其是在更高頻率（如毫米波頻率）和更薄的電路中。粗糙的銅箔表面會導(dǎo)致這些電路插入損耗的增加和信號相速度的減慢。導(dǎo)體插入損耗也會受到銅箔導(dǎo)體的相對寬度以及導(dǎo)體厚度的影響。較寬的導(dǎo)體會表現(xiàn)出較小的損耗，而較厚的導(dǎo)體將導(dǎo)致GCPW傳輸線使用更多的空氣（其單位Dk值較低），以較低的損耗進行傳輸。當然，具有較高Dk值的電路材料也會帶來較慢的相速度。

金屬電鍍

制造任何類型的GCPW電路，都會涉及到對PCB材料進行電鍍。例如：在做過孔金屬化時，會在線路板材料上先鉆一些孔，將孔壁電鍍上一層銅，實現(xiàn)頂部和底部接地層之間的導(dǎo)通，在這個過程中頂層和底層的PCB銅層上也不可避免地會再次鍍上一層銅。另外，還有可能會在GCPW電路上再次進行金屬電鍍，以形成最終的表面處理電鍍層并保護銅導(dǎo)體。表面處理的電鍍使用的金屬導(dǎo)電性通常會低于銅，這會增加導(dǎo)體損耗并導(dǎo)致插入損耗增加；而且，這種鍍層表面也會影響相位響應(yīng)，因此這方面的影響在毫米波頻率下是必須考慮的。

計算機軟件仿真的結(jié)果和實際加工出來的毫米波GCPW電路的測量結(jié)果之間必然會存在差異。成功實現(xiàn)毫米波GCPW電路大批量生產(chǎn)的關(guān)鍵之一是：通過特定的材料特性和特定的電路特性，將各種誤差變化做到最小化。通過了解成熟的線路板材料（例如RO3003層壓板）會如何受到不同的GCPW制造工藝的影響，就有可能建立有意義的生產(chǎn)性能公差標準。從而，即使對于77GHz的毫米波ADAS電路，也可以實現(xiàn)高良率。

審核編輯：劉清