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为低PIM PCB天线选择电路板材料

发布时间 :2018-03-02 14:45 阅读 : 来源 :技术文章责任编辑 :深圳宏力捷PCBA加工部
具有各种良好特性的电路板材料,能够因应现代无线通讯系统的需求,为具有低失真的PCB天线奠定基础...
 
尽管天线具有不同的形状和尺寸,但印刷电路板(PCB)天线能够在大幅缩减尺寸的情况下保持性能不发生变化。当然,天线(包括基于PCB的天线)必须在设计和制造时确保具有最小的被动交互调变(passive intermodulation;PIM)指标,才能在当今拥挤的讯号环境中发挥最佳效能。
 
对于PCB天线,尽管低PIM指标主要与天线设计有关,但电路板材料对于PCB天线的整体PIM性能也有很大影响,所以也需要考虑如何选择射频(RF)/微波电路材料。
 
PIM是一种非线性的类二极体效应,当两个或多个讯号结合时(例如来自不同的发射机),就会产生不必要的谐波讯号。当这些额外产生谐波讯号的电平够高平、且落在接收机的可接收频率范围内,那么,就可能会引起问题,干扰接收机正常侦测频段内的讯号。虽然PIM不会对每一种应用都产生影响,但却可能干扰无线通讯系统的正常运作,尤其是在其试图复原较低电平讯号时。
 
PIM可能发生在任两种不同金属的连接点或介面处,例如连接器和电缆元件的连接处、天线和天线馈送的连接处。接触不良的连接器、内部生鏽或氧化的连接器也可能会导致PIM。PCB材料也可能是PIM的来源,它可能来自于材料本身或馈电点。因此,透过了解不同电路板材料的参数与PIM之间的关系,将有助于选择合适的材料,而不至于造成PCB天线的PIM性能退化问题。
 
PCB天线
以PCB形式制造的高频天线可以有多种不同结构,从简单的双极(dipole)到基于环形谐振腔和罗特曼(Rotman)透镜的复杂的结构。其中一种比较受欢迎的PCB天线就是微带贴片天线,它可以在特定的频率范围内设计出简单且紧凑的天线结构(如图1)。许多产品利用多个PCB贴片天线或谐振结构,实现了波束成形网路(BFN)或相控阵天线,并透过电调方式,为雷达或通讯系统控制其薄型PCB天线结构的振幅、相位和方向。
 
在毫米波(mmWave)频率下,紧凑型的平面PCB天线也越来越受到关注,例如用于汽车电子安全系统的77GHz先进驾驶辅助系统(ADAS),就以这种天线实现盲点侦测、自动煞车系统和防碰撞等功能。由于这种系统的讯号功率较低,ADAS接收机必须依靠其高灵敏度,可靠地侦测从行人和其他车辆等目标反射的雷达回波。
 
图1:微带贴片天线结构是大型天线阵列的基本组成
图1:微带贴片天线结构是大型天线阵列的基本组成
 
电路层压板的介电常数(Dk)是许多工程师在设计微带贴片天线时首先要考虑的因素。电路板材料的Dk值对于电路尺寸的影响将透过以下表格中的四个例子进行详细描述,其结果并显示对于特定频率的微带贴片天线,其尺寸随着Dk值的增加而缩小。
 
电路板材料的Dk值对于电路尺寸的影响将透过以下表格中的四个例子进行详细描述,其结果并显示对于特定频率的微带贴片天线,其尺寸随着Dk值的增加而缩小。
 
该表是透过MWI-2017软体计算而建立的,表中微带贴片天线的尺寸,如长度(L)和宽度(W)可以利用以下的简单方程中取得:
    ▪ W = (c/2fr)[2/(Dkeff +1)]0.5
    ▪ L = λ/[2(Dkeff)0.5] - 2ΔL
 
其中:
    ▪ Dkeff = 微带电路的有效介电常数;
    ▪ λ = 基于微带电路的波长;
    ▪ fr = 贴片辐射元件的谐振频率;
    ▪ c = 自由空间中的光速;
    ▪ ΔL = 由于电场边际效应引起的贴片延伸长度。
 
微带贴片天线单元在发射时将电磁能量(EM)辐射到自由空间,在接收时将电磁能量传输到连接的电路上(例如,接收器)。但贴片只是PCB天线的一个组成单元,馈线构成了另一个重要部份。馈线在连接的微带电路和辐射贴片之间,扮演着传输和接收电磁能量的桥梁作用。理想情况下,贴片应呈现高辐射,而馈线则具有低辐射,从而实现能量从电路到贴片的有效传递。
 
图2展示可用于微带贴片天线的四种不同馈线方式,分别为:松藕合馈电、底层馈电(常用于多层电路中,馈线在贴片下方)、紧藕合馈电,以及四分之一波长(λ/ 4)阻抗变换器馈电。这几种馈电方式的馈线复杂性和用途均不相同。例如,针对底层馈电的情况,PCB设计者可以选择外层使用最好的电路板材料以获得最佳的辐射,也可以选择不同的内层电路板材料,从而降低馈线的辐射和插入损耗。
 
电路板材料的Dk值对于电路尺寸的影响将透过以下表格中的四个例子进行详细描述,其结果并显示对于特定频率的微带贴片天线,其尺寸随着Dk值的增加而缩小。
图2:用于微带贴片单元的四种不同馈线配置:(a)松藕合馈电;(b)底层馈电;(c)紧藕合馈电;(d)四分之一波长阻抗变换器馈电
 
对于天线而言,较厚的电路板材料更易于向外辐射能量。一般来说,设计诸如微带贴片之类的天线辐射单元,应该选择相对较厚且具有较低Dk值(例如2.2至3.5)的电路板材料。尽管更高Dk值的材料辐射效率较低,使用较高Dk值的电路板材料来设计PCB天线更具挑战性。但当需要设计更小的贴片天线时,仍可透过最佳化设计而使用更高Dk值的电路板材料。
 
PIM策略
PIM较高的天线可能导致无线通讯系统中(如4G LTE无线网路)的资料遗失。这种网路仰赖分佈式天线系统(DAS)延长无线覆盖,而新兴的5G无线网路尽管频率较高,但实际上也是如此。
 
对于收发系统中的两种频带内载波讯号频率f1和f2,PIM就是nf1-mf2和nf2-mf1的混合产物,其中n和m是整数。这种衍生的PIM谐波可以按一定规则进行分类,其顺序由m和n之和确定,例如2f1-f2和2f2-f1(图3)的三阶分量。三阶互调分量值得关注,因为它们离载波讯号最近而可能落在接收机的频带内,而且如果分量具有较高功率,就可能会造成接收阻塞。
 
图3:混合谐波导致不同阶数的互调失真(IMD)
图3:混合谐波导致不同阶数的互调失真(IMD)
 
PIM谐波分量的幅度不仅是f1和f2幅度的函数,而且也是其PIM阶数的函数。PIM谐波分量的幅度随着阶数的增加而减小。因此,第5、第7和第9阶PIM谐波功率水淮通常较小而不会影响接收器性能。
 
到底多低的功率电平可以认为是低PIM?这个值可能因系统而异。对于4G LTE系统使用DAS设备中所包括的一些被动元件(如连接器和电缆),-145dBc通常就够低了。一般来说,-140dBc或更高数值被认为是较差的PIM性能,而-150dBc通常较好,-160dBc则更优越。
 
在专门设计的微波暗室中测量天线和其他被动元件的PIM电平时,低至-170dBc可能超出暗室测试环境杂讯水淮。而当使用两个+43dBm单音讯号进行测量时,大多数PIM测试暗室的实际杂讯级为-165dBc。
 
当同一天线以共同馈线同时实现发射和接收功能时,低PIM尤其重要。因为发射机和接收机都同时位于同一系统中,多个发射讯号的非线性产物总会导致不想要的互调谐波,其幅度往往足以使接收机的性能降低。了解不同材料特性对于PIM产生的作用,就能减少PIM对PCB天线造成的影响。
 
尽管大多数情况下PIM是由电路结点(如焊点或连接器)中不均匀的材料产生,但电路板材料的特性,如粗糙的铜箔表面和不同类型的电镀表面处理,也可能会产生较低或较高的PIM电平。电路板材料中的某些参数就可以用来作为设计低PIM PCB天线的参考。
 
例如,相较于PCB层压板的陶瓷或聚四氟乙烯(PTFE;塑料)介质,层压板的铜箔表面粗糙度对于影响PIM起主要作用。同时,对于相同介质材料的电路(例如,含有玻璃或陶瓷填料的PTFE),粗糙的铜箔表面对于PIM性能的影响就要比平滑的铜箔表面更大。
 
为了了解铜箔表面粗糙度与PIM的关系,透过测试具有不同铜箔表面粗糙度的电路层压板,分析其对于PIM性能的影响。具体方法如下:先测量每种铜箔的表面粗糙度,然后压合成层压板,接着在层压板上制作微带传输线测试电路,以测量对应的每种层压板的PIM性能。结果显示,随着铜箔表面的粗糙度增加,对于PIM影响越来越大(图4)。
 
图4:电路材料的铜箔表面粗糙度与PIM性能的关系
图4:电路材料的铜箔表面粗糙度与PIM性能的关系
 
PCB材料制作的天线和其它被动元件在经过表面电镀后,也会对PIM性能产生影响。铁磁性材料(如镍),严重影响PIM的性能。浸镀锡通常比裸铜电路具有更好的PIM性能,而使用化学镍金(ENIG)的电路由于含有镍会产生较差的PIM性能。
 
电路表面的清洁度有利于降低微带天线和其它被动元件的PIM性能。具有防焊功能的电路通常比裸铜电路具有更好的PIM性能。清洁的电路、毫无残留的湿法化学处理,是降低PIM性能的重要基础。电路中带有任何形式的离子污染物或残留物,可能会导致较差的PIM性能。
 
同样地,电路的蚀刻品质对于改善PIM性能也十分重要。如果铜箔导体没有被充份地腐蚀掉,导致电路边缘产生粗糙和毛刺,这种情况也可能使PIM性能退化。
 
只要仔细地选择电路板材料,就可能为被动元件或电路提高其PIM性能。不过,就算使用了低PIM的材料,某些类型的电路也可能因其结构较易受PIM影响,而无法改善其PIM性能。例如,罗杰斯公司(Rogers Corp.)以32.7mil厚的RO4534电路板材料进行相关的实验。这种天线层压板的特性是:Dk为3.4,容差为±0.08,在10GHz时的低损耗因数(低损耗)为0.0027。
 
使用这种相同的电路板材料制造出三种不同的电路,分别为传输线、带通滤波器、低通滤波器(图5)。即使这些电路是基于同一电路板材料制造的,但由于PIM受到电流密度的影响,造成PIM的差异就非常显着。相较于简单的传输线电路,滤波器具有较高的电流密度,从而产生更高的PIM谐波。而当使用两个+43dBm的单音讯号对微带传输线进行测试评估时,RO4534材料呈现出-157dBc的低PIM性能。
 
图5:采用相同低PIM材料制造的三种不同电路,分别呈现出不同的PIM性能:具有更高电流密度的电路
图5:采用相同低PIM材料制造的三种不同电路,分别呈现出不同的PIM性能:具有更高电流密度的电路
 
如实验所示,常用于天线馈电的简单传输线电路,几乎可以达到接近材料的额定PIM水淮。尽管如此,PIM性能也与电路配置密切相关,不同的电路导致最终的PIM性能差异。


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