【技术】电路图形精度在毫米波电路中的重要性

时间： 2022-09-09 来源：罗杰斯先进电子解决方案公众号

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在过去的几年里，毫米波（mmWave）应用稳步增长。这种增长也来自于半导体行业带动，可量产具有良好毫米波性能的芯片。随着毫米波应用的增加，电子工业的很多方面，包括PCB行业，都不得不进入一个快速学习过程。总的来说，电路板的质量对毫米波应用的重要性要远远高于低频电路。具体地说，这些问题主要涉及电路图形的一致性，例如导体线宽、形状和间距以及基板厚度、铜箔厚度和表面处理等等的一致性。

由于波长的原因，毫米波电路对加工的电路图形准确度非常敏感。信号波长指是沿着波的传播方向，相邻两个相位相差2π的之间的距离。例如在介电常数为3.0的层压板制作一个微带线电路，在2.3英寸的长度内，该电磁波相位刚好360度变化，2.3英寸的长度就是电路中的信号波长，该相位变化也被称为“相位角”。若波的传播中遇到0.023英寸的异常，那么该异常相当于波长的1%或约3.6度，相对于波长而言，这么小的异常对信号几乎没有影响。

但是，在毫米波频率下则不一样。例如在77GHz频率下，信号的波长约为0.095英寸左右，若该信号的路径上同样出现了0.023英寸的异常，那么该异常相当于波长的24%或87度左右。该24%的异常情况则可能影响整个波的传播，造成波形畸变和其它不必要的性能影响。

另外，在毫米波频段，电路结构中使用的PCB高频材料通常较薄。薄层压板意味着需设计较窄的导体宽度才能得到如50欧姆的特定阻抗。对于大多数低频应用来说，±0.5mil的导体蚀刻公差通常是可以接受和足够的；但是对于毫米波电路，该公差可能不足以得到良好和一致的RF特性。这是因为在窄导体上，总变化量为1mil引起的阻抗变化相对于宽导体来说更大。汽车雷达传感器的天线阵列区域的一些阻抗匹配网络的导体宽度仅有5mil。从5mil到6mil的1mil变化就会产生约6Ω的阻抗差。但是，当在低频段使用厚基板的电路中，1mil的导体宽度差也许只产生不到1Ω的阻抗差。电路加工过程中的很多方面都会改变电路阻抗，而对于从事毫米波电路加工的PCB厂来说，能够做到优异的蚀刻精度控制将会是一个重要优势。

有多种不同的RF平面传输结构可以在毫米波电路中被采用，其中微带线结构是RF性能受电路加工过程的正常变化的影响最小的传输线。微带线结构相对简单，通常在RF多层板的表面两层，比如顶层信号线而接下来的第二层就是地层。另一个常用结构是接地共面波导（GCPW）。该结构也是一个双层电路，但是顶层信号有三个铜箔区域，通常被定为“地/信号/地”。该结构非常有利于在毫米波频段下最大限度地减少某些不必要的波特性，但是电路加工过程中的正常变化对这种结构的影响相对越大。

GCPW结构中的“地/信号/地”导体之间的间隙非常重要。若该间隙变化较大，则会造成电路的RF性能变化也较大。不过，实际情况要复杂得多。在顶层信号层上，位于信号导体两侧的相邻地之间存在强电场。从横截面上来看，若导体侧壁竖直，那么空气中将有较多电场。但是，若是梯形导体，则空气中的电场会减少，基板中将增加。间隙中空气的这些电场的差异会影响信号波的有效介电常数。空气的介电常数大约是1，当电场较多在空气时，信号传播的有效介电常数会降低，从而影响RF电路特性。在毫米波频段下这种情况尤其明显。为了使GCPW在毫米波频段下有更稳定的RF性能，导体宽度和间距的控制是很重要的，同时，保证导体形状一致也非常重要。

为了获得导体宽度、间距和形状的一致性，电路加工过程中有很多需要考虑的事项。对于导体形状一致性来说，使用加成法的显影和刻蚀工艺通常比减成法更好一些。但是，对于导体的梯形状来说，即使使用加成法也会有一些顾虑。使用减成法时，导体形状通常是翻转的梯形而也会有相同顾虑。

另一种方法有助于导体形状一致性和蚀刻精度控制的措施是使用薄铜箔。薄铜箔可以减少梯形形状，使导体宽度和蚀刻间距更易于控制。罗杰斯公司有多种可用于毫米波频段的高频电路材料，均可提供1/4盎司（9µm）厚度的铜箔选项。使用这种超薄铜箔的层压板更利于PCB板厂获得更一致的导体形状、宽度和间距等特性。

电路图形的变化和微小异常对于低频电路通常是可以接受的，但毫米波电路的性能对电路图形的变化和微小的电路异常敏感。PCB板厂面临如需要更严格的导体宽度和间距的控制问题，同时也面临导体形状更一致的问题。使用加成法有助于提高这类毫米波电路的加工需求，同时，采用薄铜箔的层压板也有利于优化和提高精度。