【技术】罗杰斯PCB材料为5G无线网络铺平道路

2017-07-10 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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24X18 5TC/5TC 0087+-001/DI,4350B 48.5X37 5E/5E 0200+-0015/DI,TMM10 18X24 5E/5E 5000+-0015/DI,4350B 12X18 1E/1E 0300+-002/DI,4350B 48X36 5TC/5TC 0107+-001/DI,6010.2LM 10X10 H2/H2 0500+-002/DI,4003C 48X36 5E/5E 0320+-002/DI,5880 18X24 H1/H1 1250+-004/DI,4350B 24X18 5E/5E 046G+-0035/DI,4003C 48X36 1E/1E 0200+-0015/DI,6010.2LM 10X10 5E/5E 0100+-001/DI,3003 12X18 5ED/5ED 0150+-001/DI,TMM13I 18X12 5E/5E 2500+-0015/DI,3003 24X18 5ED/5ED 0200+-001/DI,4350B 24X18 1TC/1TC 0607+-004/DI,4350B 48X40 1E/1E 0066+-0007/DI,4003C 24X18 1E/1E 0200+-0015/DI,RO3010PTFE 陶瓷,6010.5LM 10X10 5E/5E 0250+-001/DI,6202 18X12 H1/H1 0050+-0005/DI,4350B 50.1X110 1E/1E 0100+-001/DI,RO3003PTFE 陶瓷,4350B 16X21 5E/5E 0066+-0007/DI,4350B 24X18 5E/5E 0166+-0015/DI,RO4360碳氢化合物陶瓷,4350B 12X18 5E/5E 0300+-002/DI,4233 24X18 1E/1E 0200+-0015/DI,4350B 12X18 1E/1E AR1 0200+-0015/D,4350B 12X18 5E/5E 0400+-003/DI,6035HTC 12X18 H1/H1 0600+-003/DI,4350B 48X36 1E/1E 0600+-004/DI,4350B 24X18 5E/5E 0066+-0007/DI,4350B 24X18 1E/2E 0066+-0007/DI,4350B 48X21 5E/5E 0200+-0015/DI,4350B 12X18 5E/5E 0166+-0015/DI,4350B 12X18 2E/2E 0100+-001/DI,6002 18X24 5E/50OHM-5E 0200+-0015/DI,4350B 24X18 1E/1E AR1 0100+-001/DI,RO3000,RT/DUROID 6035HTC PTFE 陶瓷,4350B 12X18 5E/5E 0133+-0015/DI,4350B 24X18 2E/2E 0066+-0007/DI,3003 12X18 HH/HH 0100+-0007/DI,3003 24X18 5ED/5ED 0600+-003/DI,4350B 24X18 1E/1E 0133+-0015/DI,4350B 48X36 1E/1E 0100+-001/DI,5880 18X12 HH/HH 0200+-001/DI,4350B 12X18 1E/1E 0040+-0007/DI-RSZ,4350B 48X42 1E/1E 0300+-002/DI,4350B 48X36 1E/1E 0200+-0015/DI,4350B 12X18 5E/5E 0040+-0007/DI,4350B 48X36 5E/5E 0166+-0015/DI,3003 12X18 5R/5R R3 0100+-0007/DI,TMM 6碳氢化合物陶瓷,4350B 48X40 5E/1E 0200+-0015/DI,4350B 12X18 1E/1E 0400+-003/DI,4350B 48X42 5E/5E 0200+-0015/DI,4350B 48X40 1E/1E 0600+-004/DI,3003 12X18 5R/5R 0100+-0007/DI,4350B 24X18 1E/1E 0400+-003/DI,3010 18X12 H1/H1 0250+-001/DI,4350B 24X36 1E/1E 0300+-002/DI,4350B 24X18 1E/1E 0600+-004/DI,4003C 48X36 5E/5E 0200+-0015/DI,6002 18X24 H1/H1 0300+-001/DI,5880 18X24 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H1/063AL 0100+-001/DI,400

应用笔记或设计指南  -  ROGERS  - 2016年07月18日 PDF 英文 下载

罗杰斯板材RO3003在77G时的介电常数是多少？

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技术问答    发布时间 : 2017-09-20

【技术大神】高速设计中的一颗“致命”电容

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设计经验    发布时间 : 2016-09-23

如何在不增加电路面积的前提下实现有效散热？

在多层电路的设计中，我们往往需要在散热与小型化中抉择，但经过散热率、介电常数、损耗因子三大参数的比较，我们发现使用高性价比的92ML™导热环氧树脂半固化片电路材料可以在不增加电路面积的前提下，实现更有效的散热管理！

技术探讨    发布时间 : 2019-08-29

商业级射频板材半固化片RO4450F和RO4450B有哪些区别？

PP片RO4450F的横向流胶性能更好，填孔效果更好，并有4mil厚度可供选择。

技术问答    发布时间 : 2017-05-05

【应用】具有高散热，空间稳定性以及安装又是的厚金属覆层高频层压板

Rogers公司在高频层压板上采用厚金属覆层，从而增加了产品在散热、空间稳定以及安装方面的优势，然后通过典型性能、成本、功率与射频损耗等方面对铝、铜、黄铜进行比较，以期帮助工程师选择合适的厚金属材料，最后介绍了高频层压板加工过程的注意要点以及其在天线设计、功率放大器、微波器件等方面的应用。

应用方案    发布时间 : 2018-03-06

【选型】浅析用于毫米波电路的传输线技术

PCB材料的选择可以在毫米波频率的带状线电路中发挥重要作用！

器件选型    发布时间 : 2019-07-30

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