【技术】通往5G之路：在毫米波设计中常被忽视的关键因素
ROGERS公司针对毫米波5G设计中常见的问题进行了总结与解答。
问题1：用于很多高频材料中的玻璃布纤维，是否会对大于60GHz应用的电气性能带来问题？
在使用板材的过程中，若到了60GHz以上确实会遇到问题，特别是使用玻纤增强型PTFE板材时，因为当使用频段到60GHz以上时就会对板材的Dk非常敏感，而使用玻纤布增强的PTFE板材时，它会在某些地方有PTFE的材料而没有玻纤，而某些地方含有玻纤，由于玻纤和PTFE材料的Dk不同，导致没有玻纤的空洞部分与有玻纤的部分形成两个不同的Dk。由于玻纤的存在，导致Dk发生周期性变化，这种特性是很难通过测量进行捕捉与去除的，所以在微波频段设计当中，需要非常注意这种问题。
玻纤的影响不仅会带来Dk的周期性变化，还会给差分线设计带来波动的干扰。电磁波在高Dk媒介的导体中传播速度比低Dk媒介中的慢，信号在两中不同Dk的媒介中传播延时不同，这种差通常叫做偏移，而这种偏移会导致射频和高速数字系统中出现许多问题。除了周期变化的Dk带来的影响之外，到了60GHz以上，有可能1/4波长就会与周期性变化Dk的长度相当了，当大于或等于1/8波长时，这种Dk的差异会造成电磁波的不同传播，因此在设计无源器件时，需要尤其注意Dk变化带来的射频指标影响。
所以在60GHz以上的应用中，需要注意板材的均一性，如果使用了玻纤布增强型PTFE材料，一定要考虑它是否是不存在空洞造成周期性变化的Dk，或者直接采用RO3003™这类不含有玻纤布的材料。
问题2：由于很多5G毫米波设备中的电路，都将采用混合多层板的设计方式，那么对于设计工程师来说，在选择电路材料时应该考虑哪些问题？
例如一个表层使用5mil的RO3003™、下边各层使用FR4进行设计的混压板，表层的RO3003™由于具有较好的射频性能，因此在需要射频性能的时候使用这块板材是比较合适的。
很多时候使用混压板材并不仅是因为射频性能的需要，有时也是因为成本，通常射频板材比较贵，所以大家会在没有射频要求的部分尽量使用FR4，不过设计时需要考虑不同板材的热胀缩，若将热膨胀系数高的板材与低的板材进行混压，则容易造成板弯板翘。同样，在设计时若采用比较薄、比较小的少量的射频板材，即使它的热膨胀系数与其他板材不同，但由于其他板材比较厚、比较多，因此可以在一定程度上弥补射频板材热膨胀系数不好的问题。
此外，使用混压板还有可能因为导热率的要求。在射频板材中，由于其射频比较优良，通常选用的材料导热比较差，因此在混压时，上层使用射频材料，下层采用高导热率的材料帮助进行散热，最底层使用散热器。
问题3：在高于15GHz的应用中使用PTFE材料或热固性材料的优势和缺点有哪些？
PTFE类材料是很适合用于高于15GHz的应用中，它具有很好的射频性能，但是它的加工性能不尽人意，PTFE与热固性材料的优缺点具体如下：（1）PTFE材料相比于热固性材料，通常具有更低的损耗因子；（2）PTFE材料可以与压延铜相结合，压延铜是具有最光滑表面粗糙度的铜箔，从而大大降低导体损耗；（3）热固性材料不能和压延铜相结合，但可以与较为光滑的反转铜箔相压合满足结合力要求，如RO4835™ LoPro材料；（4）PTFE材料在PCB加工过程中通常需要一些特殊的工艺要求，而绝大多数热固性材料可以使用PCB标准加工工艺。
问题4：铜箔的表面粗糙度如何对电路的插入损耗和设计Dk造成影响？
如图1列举了频率从0.01GHz到80GHz下的趋肤深度以及不同铜箔类型的均方根值，若是在微波频段随着频率的增加，趋肤深度导致大部分的射频电流或射频信号走在铜箔较粗糙的部分，就会导致射频电流路径的增加，从而导致整个插损的增加。
图1 频率、趋肤深度与铜箔类型
图2展示了以Rogers公司的5mil RO3003™作为测试材料，选取不同粗糙度的铜箔（压延铜与电解铜）进行测试，其中压延铜是非常光滑的铜箔，他的铜箔表面粗糙度的RMS约为0.3μm，而电解铜的铜箔较为粗糙，它的铜箔表面粗糙度的RMS约为1.8μm，可以很明显的看出，使用压延铜的插入损耗远远小于使用电解铜的，而在40GHz以上，两者的差异愈发明显。
图2基于5mil RO3003材料的不同铜箔的损耗比较
如图3比较了使用不同铜箔的5mil RO3003™的等效Dk随频率的变化，可以看出，随着频率增加，粗糙铜箔Dk的变化范围比较大，光滑的压延铜变化范围很小。同时，粗糙的铜箔表面会导致电路呈现比原介质材料Dk值高的Dk，且粗糙的铜箔表面会减缓电磁传播速度，导致电路表现出较高的有效Dk。
图3 Dk随频率变化的微带线差分相位长度法
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ROGERS层压板/高频板选型表
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产品型号
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品类
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产品系列
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介电常数（Dk）
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正切角损耗（Df）
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介质厚度(mm)(mil)
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导热系数W/(m·K)
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铜箔类型
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铜箔1厚度
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铜箔2厚度
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尺寸(inch)
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5880LZNS 24X18 H1/H1 R4 0100+-001/DI
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层压板
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RT/duroid® 5880LZ
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2
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0.0027
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0.254mm(10mil)
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0.33
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电解铜
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H1
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H1
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24X18
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选型表 - ROGERS 立即选型
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Rogers（罗杰斯） RO4725JXR,RO4730JXR 天线级层压板数据手册（中文）
描述- RO4700JXR™系列天线级层压板是一种用于替代传统PTFE基材的低成本材料，具有低损耗、低粗糙度的铜箔覆盖，适用于高频应用。该系列产品具备优异的机械和电气性能，包括低介电常数（Dk）、低损耗正切角（Df）和高PIM抑制能力。
型号- 4730JXR 24X18 1TC/1TC 0607+-004/DI,4730JXR 48X36 1TC/1TC 0607+-004/DI,RO4725JXR 碳氢化合物/陶瓷/玻璃布,4725JXR 48X36 1TC/1TC 0607+-004/DI,4730JXR 24X18 1TC/1TC 0407+-003/DI,4730JXR 24X18 1TC/1TC 0307+-002/DI,4725JXR 24X18 1TC/1TC 0607+-004/DI,RO4730JXR 碳氢化合物/陶瓷/玻璃布,RO4725JXR™,4730JXR 48X36 1TC/1TC 0307+-002/DI,4725JXR 48X36 1TC/1TC 0307+-002/DI,4725JXR 24X18 5TC/5TC 0607+-004/DI,RO4730JXR™,RO4700
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