PCB加工对微波性能的影响

时间： 2019-07-10 来源：微波杂志

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微波电路板材,高频板材,4835 12X18 5TC/5TC AR1 0107+-0015/DI,4835 24X18 1TC/1TC AR1 0040+-0007/DI

电路的性能从一开始就受到所用PCB材料的影响，但想要达到需求的电路性能与电路在PCB上的加工也密切相关。世强供应商罗杰斯在微波应用会议中的“PCB加工对微波性能影响”的汇报分析了诸多因素对PCB上加工的有源和无源电路性能的影响，如电路板厚度和传输线金属选择等。

对于大部分高频电路，特别是信号功率大小有限的情况下，插入损耗是一个重要的参数。对于射频/微波频率的电路，插入损耗很大程度上取决于所用PCB材料的厚度。为了更好说明，我们在同种PCB材料三种不同厚度的50欧姆电路进行分析。所用的电路材料为罗杰斯公司的RO4835™材料，厚度分别为 6.6mil，10mil和30mil。RO4835™是一种刚性热固性材料，在10GHz时其z向（厚度方向）的介电常数为3.48，容差为±0.05。该材料的热导率为0.69 W/m/°K，在x-y平面具有非常好的尺寸稳定性。设计者常常在使用该电路材料时会忽略厚度对电路性能的影响，特别是对插入损耗的影响。

通过对不同厚度的三个电路进行建模、加工和测量来比较仿真与测量结果。仿真模型的建立是通过罗杰斯公司MWI-2014软件进行，该软件使用了 Hammerstad 和Jensen的经典闭合等式。仿真结果与将于实际电路在宽带网络分析仪的试验测量结果进行比较。使用的宽带网络分析仪是安捷伦（现Keysight公司）E8346C，该仪表能覆盖10 MHz到50 GHz频率范围的S参数测量。结果发现从10 MHz到20 GHz，三个不同厚度电路的仿真和测量结果几乎相同。但仔细研究会发现插入损耗的各个组成部分的变化却所有不同。

实际测试和仿真的频率-损耗关系图显示了总的插入损耗情况。然而，总的插入损耗值可通过模型分解，比较不同厚度电路的介质损耗与导体损耗。我们知道，任何电路的插入损耗都包含材料的介质损耗、导线的导体损耗，PCB的泄露损耗以及导线的辐射损耗等四个部分。在本文中，仅对三个电路的介质损耗和导体损耗进行分析，以更好的理解不同厚度对高频电路性能的影响。

通过模型分析，三个不同厚度PCB材料的介质损耗值都很非常接近，都随着频率的升高而增大，且整个变化过程与频率呈一定函数关系。对于6.6mil和 10mil的电路材料，两者的差别非常小，基本上可以忽略。即使最厚与最薄的电路比较，介质损耗值差别也很小。在频率15GHz时，6.6mil的 RO4835材料的介质损耗为0.2dB/in；而30mil的RO4835材料的介质损耗为0.25dB/in。

另一方面，分析三个不同厚度PCB材料的导体损耗的差异却比较明显。对于较薄材料，导体损耗值随着频率的上升而稳步增加。电路中最大厚度的30mil RO4835 PCB电路，当频率在10GHz以下时导体损耗都低于0.1 dB/in；即使频率增大到20GHz损耗值仅略大于0.1 dB/in。然而，最薄的6.6mil RO4835 PCB电路，频率在10GHz以下时，导体损耗为0.4 dB/in；当频率增大到20GHz时，损耗值增加到0.6 dB/in。10mil的RO4835 PCB电路材料，其导体损耗值介于最大厚度和最小厚度PCB损耗值之间。

为了进一步分析加工方式如何对PCB性能的影响，在RO4835电路材料上加工制作成微带线耦合带通滤波器电路，传输线导体分别用裸铜和阻焊层覆盖。阻焊层是指在PCB铜导线上覆盖一层多聚合物，它既可以防止铜导线的氧化，也可以防止相邻电路导线焊接时形成桥接。两个滤波器电路都基于20mil RO4835电路材料上加工，除了阻焊层外，其他均相同。覆盖的阻焊层可以为电路提供长期可靠的保护避免氧化，但是另一方面电路却增加了额外的插入损耗。举例来看，滤波器电路在传输线导线为裸铜是10GHz的仿真插损值是0.25dB/in；20GHz是0.5dB/in。相比之下，有阻焊层的电路 10GHz时插损值大于0.3dB/in，20GHz时增加到0.6dB/in。

更重要的是对于该类滤波器设计，是否使用阻焊层会对滤波器的中心频率和品质因数产生影响，且使用阻焊层电路的中心频率将略微降低。使用微波VNA测量两个滤波器的带宽基本相同，覆盖阻焊层的电路带宽为335.25MHz，裸铜导体电路的带宽为336.32MHz。但中心频率和Q值均有所降低，有阻焊层的电路中心频率为2.9499GHz，Q值为8.7993；而裸铜导线电路的中心频率为3.0144GHz，Q值为8.9627。

当然，上述只列举了少量使用RO4835电路层压板的例子，但这些例子均已表明设计前仔细选择PCB的加工方式和材料参数是十分重要的。如前文所述，诸如材料厚度参数和阻焊层等会对电路性能产生重要影响，甚至可能在达到电路的性能过程中不得不进行多次反复的加工设计。如果想获得更多RO4000®系列材料的上述比较分析，可以联系ROGERS代理商世强！

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二师兄 Lv7. 资深专家 2018-12-23

厉害厉害
lm11 Lv6. 高级专家 2018-12-22

学习
Bruce Lv3. 高级工程师 2018-05-03

学习了
用户18396822 Lv8 2018-03-17

学习了
小义 Lv3. 高级工程师 2018-01-27

基本都是罗杰斯天下了

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产品型号	品类	产品系列	介电常数（Dk）	正切角损耗（Df）	介质厚度(mm)(mil)	导热系数W/(m·K)	铜箔类型	铜箔1厚度	铜箔2厚度	尺寸(inch)
5880LZNS 24X18 H1/H1 R4 0100+-001/DI	层压板	RT/duroid® 5880LZ	2	0.0027	0.254mm(10mil)	0.33	电解铜	H1	H1	24X18