Chudy Nwachukwu任ITEQ信号完整性部门的市场及设计技术总监。

 

引言

精确表征频率相关的非均质介质材料特性是优化设计高性能及高性价比PCB天线的关键。这些天线将用于大量5G、6G通信预测设备。IT-88GMW是为了提高PCB层压板上互连和无源元件的Q因子而采用紧密编织薄玻纤增强的高阶树脂系统。

介质材料的电气和热机械特性主要决定了高速电路的性能。因此，推荐实施表征方法，以提供在实际应用中材料性能的相关信息。与其通过假设信号在最佳性能方向上的传播，将表征局限于仅获得特定频率下的标称数据，不如分析材料在不同方向和位置上的特性。这样可使设计师能够更清楚地了解实际中预期的变化量，而不是通常假设的简化设计周期的理想条件。

选择用于高速、高频天线设计的层压板材料时，复合材料的属性是决定天线贴片和互连网络能否满足损耗、时延和阻抗匹配等要求的关键参数。PCB层压板通常有两种制造方法:

• 用树脂浸渍和增强玻纤织物。
• 用无纺玻纤或替代填加剂增强树脂系统，以控制热膨胀系数。

除了最佳电气性能外，高速、高频应用介质材料的设计还应具有更好的热可靠性、尺寸稳定性和低吸湿性。这些系统的核心树脂基体已从标准环氧树脂发展为聚烯烃树脂，其表现出类似PTFE基材所需具备的电气性能，但也存在低可靠性风险。图1简要说明了这些树脂化学性能目标。

 

图1:树脂化学物质介电属性的发展

 

除了介电特性外，导体损耗（由于电阻率和趋肤深度）是层压板选择的重要标准。铜的表面粗糙度在5G、6G通信所需的毫米波频率下观察到的衰减增加中起着重要作用。就这一点而言，铜的供应商已经响应了行业需求，大大提高了表面粗糙度，最大限度地减少趋肤效应并提高剥离强度，以促进介质材料与处理后铜箔的最佳附着。图2显示了铜表面形貌的改善。

 

图2:显示铜粗糙度的Rz测量值

 

PCB样品说明

ITEQ Corporation和INAOE合作设计了两种测试载体，以研究贴片天线结构随空间材料不均匀性和毫米波频率而变化的Dk和Df的敏感性。表1所示的4层混合材料叠层采用ITEQ的IT-88GMW高性能射频材料设计；芯材为5mil，由1/2盎司超低粗糙度铜制成。

 

表1:为天线选择的射频材料属性

 

该关键层由非功能性的50密耳标准IT-180高Tg材料芯材和半固化片支撑，以提高刚度，并最大限度地减少由于较薄的射频级性能介质芯材翘曲或弯曲而引起的测量误差。叠层细节、微带阻抗目标、表面涂层和层尺寸如图3所示。

 

图3:样品的叠层结构

 

大多数PCB层压板的成分不均匀会导致材料复介电常数的局部变化，这反过来又会影响在高频下运行的互连性能。水平面的这些局部变化主要是由纤维编织引起的，并且已被证明会导致传输线互连所表现出的周期性负载效应。综合研究通过严格的数值和图形方法预测了这些共振发生的频率，该方法考虑了纤维编织束和走线角度（相对于束）之间的间距。

 

图4:用于测试载体制造的PCB序列化布局

 

为了研究这种周期性负载现象对贴片天线的影响，使用以下布线Ф角（0°、3°、7°、10°）来确定微带结构相对于编织纬线的方向。图2给出了制造的PCB结构的序列化布局。

 

图5:贴片天线测量

 

每个序列化样片都具有一端（用于射频贴片）和两端（用于单端微带线）端接的传输线段，并带有接地信号接地(GSG)焊盘，因此可以使用200µm间距的共面射频探针执行高达103GHz的高频S参数测量。测试结构如下：

• 4组5mm、15mm和30mm长的微带线，方向分别为0°、3°、7°和10°。
• 2组天线贴片，每个贴片的方向为0°、3°、7°和10°，由5mm和10mm微带线馈电。

 

测量结果和总结

在IT-88GMW材料上布线的天线与目标共振频率的标准偏差约为0.17。谐振幅度在所有旋转位置显示出最佳反射系数（最大为-36.3dB）（注意：对于高效贴片天线，最小所需增益为-10dB）。与数据表值(~3.0Dk)相比，IT-88GMW显示出1.34%的Dk变化，反映了整个旋转度。

从这项调查中获得的数据表明，IT-88GMW是一种为W波段频率天线设计的最佳覆铜板材料。

更多内容可点击这里阅读原文查看，文章发表于《PCB007中国线上杂志》22年4月号，更多精彩原创内容，欢迎关注“PCB007中文线上杂志”公众号。

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