近年來隨著第五代新型(5G NR)無線網絡和77 GHz汽車雷達的普及,毫米波雷達應用也逐漸變得越來越普遍,毫米波頻率信號完全可以通過高集成的印刷電路板(PCB)來進行傳輸。這種類型的PCB通常會采用多層結構,并且可以同時處理不同類型的信號,包括模擬、數字、RF和毫米波信號。毫米波電路設計工程師面臨的主要問題是“集成化”和“小型化”, 他們試圖將盡可能多的功能設計到最小的PCB中。但是不同的電路功能對線路板材料的要求不盡相同,例如在毫米波頻率下,能提供最佳性能的線路板材料可能不是電源電路最實用的解決方案。
通常,對于具有多種電路功能的多層PCB,最實用的解決方案是通過由三種或更多種不同電路板材料組成的多層PCB來實現電路的所有功能。在選擇電路板材料時,需要充分考慮它們的特性,盡可能選擇最好的電路板材料,以更好地匹配每個電路需要實現的功能,如:功率電路、高速數字、低頻射頻、微波和高頻毫米波電路等。在選擇電路板材料時,首先考慮的通常是材料的如介電常數(Dk)和損耗因數(Df)或損耗角正切。其次,還需要根據電路的功能和層數,充分考慮電路板材料的機械特性。因為電路板材料的厚度等機械性能會影響傳輸線的尺寸和傳輸線之間的間距,從而影響高速數字、高頻微波和毫米波電路的性能。第三,在設計和生產多層電路時,還必須考慮如何將這些不同的層壓板組合互連。無論選擇哪種材料,包括電路板材料和粘接材料,都需要考慮如何更容易、更方便地將這些材料加工并組合成一個整體。
微波電路工程師首先要了解線路板材料的特性對不同電路的性能會產生什么樣的影響,才能更合理的將微帶線、帶狀線和接地共面波導(GCPW)傳輸線等高頻傳輸線與FR-4等低成本線路板材料相結合,組成多層板電路。但是,隨著頻率的增加,線路板材料的電氣參數隨頻率的變化也需要考慮。如Dk和Df隨著頻率的增加,將對傳輸線的性能產生巨大的影響,如影響雷達脈沖的同步或調制通信信號的完整性等。
線路板材料的機械特性,例如厚度和厚度的一致性,在射頻微波頻率下可能并沒有那么重要。但是,隨著信號頻率攀升至毫米波范圍,這些機械特性都會對電路性能產生影響。因此,在選擇毫米波頻率的線路板材料時,必須充分考慮這些因素的影響。在這么小的波長下,線路板材料表面導體的粗糙度也會影響電路性能,并導致相位響應和插入損耗的差異。
同樣,對于高速數字電路,在設計傳輸線時需要充分考慮選擇合適的電路板材料,以滿足傳輸線的良好匹配(通常為50Ω或100Ω差分)、阻抗一致性和傳播特性,避免不必要的信號延遲和信號失真。而且,必須在所有節點(包括PCB層之間)保持阻抗一致性,這就要求微通孔的加工和生產過程具有高度的一致性。某些電路板材料的成分,尤其是在毫米波頻率下,可能更適合現代微加工技術(如激光鉆孔)來形成傳輸線互連所需的微孔。對于高速數字電路和毫米波電路,需要保證微通孔之間的最短距離,同時實現多層PCB各層之間的精確對準,可以實現最低的損耗和最高的可靠性,即使在不同的電路中 互連電路板材料時也是如此。為了實現和保持良好的層間對準和層間高可靠性的微孔,需要具有優異機械穩定性的電路板材料。
解決方案選擇
一般來說,自動駕駛汽車中的雷達系統和5G無線通信網絡的毫米波電路的多功能多層印制電路板,都可以根據某些已經大規模商業應用的標準來進行設計和制造。現在的主流設計方案是采用更多層和更薄的電路,以適應小尺寸和輕重量的要求。實際這種需求在軍用毫米波電路中較為常見,需要滿足尺寸(Size)、重量(Weight)和功率(Power)的要求(統稱為SWaP)。對于商用毫米波電路,其它需要考慮的設計指標還包括:更高的密度、在更小的電路上實現更多的功能、良好的溫度穩定性、低吸濕性以及在苛刻工作環境中保持正常運行。因此,用于高速數字電路和毫米波電路的線路板材料通常在寬溫度范圍內需滿足低Dk、低Df和穩定的Dk、穩定的Df。