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毫米波電路如何在PCB上實(shí)現(xiàn)？
發(fā)表時(shí)間:2016/12/02 00:00:00 來源:互聯(lián)網(wǎng),RF技術(shù)社區(qū) 瀏覽次數(shù):11398
毫米波電路一貫被認(rèn)為是非常獨(dú)特且僅用于軍事空間等特殊應(yīng)用的技術(shù)。主要原因是毫米波頻率范圍從30到300GHz，該頻段對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)短，要求專用元件和電路來適應(yīng)短波長(zhǎng)范圍。目前低頻帶已被日益增加的大量無線設(shè)備所使用，毫米波頻段對(duì)于未來的通信系統(tǒng)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(shù)（5G）標(biāo)準(zhǔn)的一部分，通過可用的無線頻帶連接數(shù)十億的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設(shè)備。其在軍事雷達(dá)系統(tǒng)和商用汽車防撞雷達(dá)系統(tǒng)中已經(jīng)被使用。實(shí)現(xiàn)高頻段頻帶廣泛應(yīng)用的主要挑戰(zhàn)還是如何在印刷電路板（PCB）材料上實(shí)現(xiàn)毫米波電路的實(shí)際設(shè)計(jì)。介質(zhì)集成波導(dǎo)（SIW）電路技術(shù)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(dǎo)加工”）中所述，SIW結(jié)構(gòu)本質(zhì)上也是一種平面波導(dǎo)，可以支持毫米波信號(hào)甚至更高頻信號(hào)的低損耗傳輸。SIW技術(shù)相比于微帶線、帶狀線和接地共面波導(dǎo)等傳統(tǒng)傳輸線技術(shù)在毫米波波段能夠提供更優(yōu)良的性能。
SIW通常被認(rèn)為是介于微帶線和介質(zhì)填充波導(dǎo)（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(yán)格加工偏差要求才能實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳輸。
此外，SIW電路不像微帶線電路一樣具有輻射損耗。實(shí)際上，SIW電路也不像其他傳輸線技術(shù)一樣具有電磁干擾（EMI）等潛在問題。SIW技術(shù)為實(shí)現(xiàn)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(jìn)行SIW電路的輔助設(shè)計(jì)、仿真和優(yōu)化，這些軟件都可以有效仿真SIW電路的介質(zhì)基底對(duì)SIW電路的影響。
在SIW傳輸線中，首先會(huì)在介質(zhì)材料中形成一個(gè)矩形波導(dǎo)。通常使用的電路板材料如羅杰斯公司LoPro®層壓板材料，該材料在10 GHz時(shí)的Z向（厚度方向）相對(duì)介電常數(shù)為3.48。RO4350B™LoPro®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(shí)現(xiàn)低成本的加工。
基于如在RO4350B LoPro層壓板等材料上形成的介質(zhì)填充波導(dǎo)傳輸線，其上下兩面均有覆蓋金屬層（銅箔），然后沿著基板長(zhǎng)度方向在兩邊加工成排的導(dǎo)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(dǎo)結(jié)構(gòu)的側(cè)壁。在形成SIW的嵌入式波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中，相比于相同波長(zhǎng)條件下的帶狀線和微帶傳輸線，SIW結(jié)構(gòu)利用了更多的導(dǎo)體金屬。這也使得在微波和毫米波頻段SIW結(jié)構(gòu)具有更低的導(dǎo)體損耗。
SIW電路加工的關(guān)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(dǎo)體從而有利于實(shí)現(xiàn)低的導(dǎo)體損耗，但這將導(dǎo)致SIW PCB的加工耗時(shí)更長(zhǎng)且更復(fù)雜。而寬間隙可以節(jié)省加工時(shí)間，但這會(huì)增加導(dǎo)體損耗并導(dǎo)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(zhì)損耗，該損耗和所選的電路基材種類有關(guān)。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(quán)衡性能和成本。
對(duì)于SIW可靠性而言，一個(gè)重要的PCB材料參數(shù)是熱膨脹系數(shù)(CTE)，該系數(shù)描述了電路材料隨溫度上升產(chǎn)生的膨脹情況。SIW中的通孔是穿過介質(zhì)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(chǎn)生過度的膨脹，進(jìn)一步導(dǎo)致側(cè)壁電鍍通孔承受額外的應(yīng)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(wěn)定的熱膨脹特點(diǎn)，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(shù)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(duì)于高性價(jià)比SIW電路的加工，使用RO4835B LoPro 和RO4835 LoPro材料的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是可通過標(biāo)準(zhǔn)FR-4環(huán)氧/玻璃工藝加工，降低產(chǎn)品加工成本。
在毫米波波段，SIW電路具有比機(jī)械構(gòu)件波導(dǎo)和微帶線、帶狀線及接地共面波導(dǎo)等傳統(tǒng)傳輸線更低的損耗。SIW電路和機(jī)械構(gòu)件波導(dǎo)有一些共同點(diǎn)，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(shè)計(jì)尺寸。設(shè)計(jì)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(dǎo)傳輸線作為饋線實(shí)現(xiàn)電路和SIW電路的連接，SIW電路就能與其他傳統(tǒng)傳輸線技術(shù)協(xié)同互連。
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