【技术】罗杰斯PCB材料为5G无线网络铺平道路

时间： 2017-07-10 来源：微波杂志

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随着移动无线通信业务的日益增长，第四代（4G）LTE无线网络已经显得力不从心，因此需要寻求下一代移动无线网络的解决方案。第五代（5G）无线网络使用毫米波频率，拥有更宽的带宽，新的天线技术和调制技术，以及更高的载波频率，比4G LTE系统更高的信道容量和传输能力。虽然这些并没有完全确定，但是，在5G无线网络标准最终敲定之前，5G电路系统需要比目前4G LTE无线网络工作的2.6GHz更高的频率已经是板上钉钉的共识。

正在讨论中的5G标准的最终目标是：使用比传统无线通信系统更高的频率，以低延迟实现10Gb/s以上的数据传输速率。例如，去年在美国，联邦通信委员会（FCC）批准在28GHz、37GHz和39GHz三个频段使用5G频段。

适用毫米波频率的PCB材料

对于电路设计工程师来说，如何选择正确的PCB材料是设计电路一开始就要面临的挑战。这意味着，对于毫米波频率，需要知道哪些印刷电路板（PCB）材料的属性在高频下是最重要的。毫米波频率（30GHz以上）曾经一度全由军方和研究机构使用。但随着5G的到来，加速了毫米波频率的“普及”并使其有机会进人们的日常生活。毫米波应用不再仅仅局限于军事用途等少数电子设备研究，而是大规模应用于人和物互联的潜在数十亿规模的电子设备，如物联网（IoT）设备如何使用5G网络进行互联网接入。

毫米波频率电路设计从选择正确的PCB材料开始，尤其需要了解PCB材料的各种参数会对毫米波频率性能产生怎么样的影响。某些电路材料参数（例如介电常数Dk）的变化会随着工作频率的增加而对性能产生较大的影响。例如，信号功耗是毫米波频率重要的衡量指标，它要求电路设计人员尽可能地最大程度减少电路中的损耗。这从PCB材料的选择就要开始考虑，因为不适用于毫米波频率的PCB材料可能会在超出其预期工作频率范围时导致过大的信号损耗。

降低PCB材料信号损耗的原因主要有以下三种：辐射损耗，介电损耗和导体损耗。通过EM能量辐射的损耗很大程度上取决于电路的架构，所以对于那些本来就具有辐射能量趋势的电路，即使是采用最低损耗的PCB材料也无法降低其损耗。

正确选择PCB材料有助于最小化毫米波频率下的介质和导体损耗。电路材料的介电损耗与其耗散因数（Df）或损耗角正切密切相关，它会随着频率的增加而增加。通过选择具有低Df值的线路板材料，通常情况下可以最小化毫米波电路的介质损耗。

控制导体损耗

在毫米波频率下只考虑材料的低导体损耗特性是远远不够的，因为导体损耗由许多其它因素共同决定，包括表面粗糙度和表面处理工艺方式。顾名思义，毫米波信号具有非常小的波长，线路板材料中的微小机械变化都可能对小波长的信号产生显著影响。铜表面粗糙度的增加会增加诸如微带传输线之类的导体损耗，并且减慢通过它传播信号的相速度。在微带线中，信号通过电介质材料和电路材料周围的空气，沿着导体传播，因此导体与介电材料界面处的粗糙度将影响导体损耗。损耗量取决于频率：当传播信号的趋肤深度小于铜表面粗糙度时损耗最大。这种情况也会降低传播信号的相位响应。

在毫米波频率下铜表面粗糙度对损耗的影响变得更明显，例如，采用罗杰斯公司的5mil厚的RT/duroid 6002PTFE 陶瓷线路板材料，选取不同类型铜导体及表面粗糙度的两个电路，在77GHz频率下进行对比实验。两种材料分别为：均方根（RMS）为0.3μm表面粗糙度的压延铜线路板材料，以及1.8μm表面粗糙度的电解（ED）铜导体线路板材料，使用前者加工的电路的导体损耗明显低于后者。

另外，铜表面粗糙度对导体损耗的影响也取决于PCB材料的厚度：薄的电路比厚的电路更易受影响。

毫米波频率下小波长信号传播也可能受到PCB表面处理工艺方式的影响。大多数表面处理材料的导电性能比铜要低，将它们镀到铜导体表面会增加导体的损耗，且随着频率增加损耗会增加。化学镍金工艺（ENIG）是常用的PCB铜导体表面处理工艺；不幸的是，镍的电导率约为铜的三分之一。结果，ENIG增加了导体的损耗，使总的损耗值增加。

环境影响

环境条件也会影响PCB材料的损耗，这种影响在毫米波频率下更加明显。与早期的无线网络相比，常见的5G网络场景使用了许多小型无线基站，部分原因是预期用户数量的增加，同时毫米波频率的传播距离比低频载波的传播距离更短。如果5G基站不能够处于可控的环境下，则其电路性能可能会随着所处环境变化而发生变化，例如受到高相对湿度（RH）影响。吸水可以显著增加PCB材料的损耗，并且在高RH条件下，具有高吸湿率的线路板材料的损耗将极大地受到影响。

在两个不同的工作环境下，对罗杰斯公司的5mil厚的RO3003PTFE 陶瓷线路板材料进行对比测试，来显示毫米波频率下的损耗会随RH变化情况：将一个电路保持在室温，另一个电路在+85℃和85％RH下进行72小时的连续测试。在79GHz时，测试室温下损耗比高湿高温环境下的损耗约小0.1dB/inch。针对不同的供应商的另外一种热固性线路板材料进行的测试显示，79GHz频率下，其电路损耗增加相当显著。

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JasonYe Lv7. 资深专家 2019-03-23

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回归的鱼儿 Lv7. 资深专家 2019-01-24

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赤那 Lv8. 研究员 2019-01-24

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落幕 Lv4. 资深工程师 2019-01-16

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北极风 Lv7. 资深专家 2019-01-15

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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