【经验】不同频段及应用的PCB材料选择和电路优化难点问题答疑

时间： 2021-12-15 来源：ROGERS

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随着无线技术的发展，射频电路设计和应用也从低频频段延伸到毫米波频段。在较低频率下的具有良好射频特性的电路，转换到毫米波频段下可能出现一些意想不到的结果，导致射频工程师需要处理更多、更复杂的设计和调试问题。而在不同的频段和设计中，对PCB材料的要求和选择有所不同。如何在不同频率获得更优的电路性能、如何选择不同的设计（如传输线GCPW，SIW）、如何选择适合的PCB材料等就变得非常重要和关键。

本文由来自ROGERS的专业人员讨论了在不同频段下对PCB材料特性的不同需求，了解PCB材料在不同频段下的性能表现，同时也介绍了不同频段下射频性能的评估和测试，以及不同平面电路（如GCPW，SIW）等的毫米波性能特性。从而有助于设计人员选择合适的PCB电路材料和设计，获得最佳电路性能。以下为与设计应用相关的问答集锦：

Q1：请问在总体的插入损耗中，介质厚度超过多少时导体损耗就不重要？

Rogers：是的，通常情况下忽略电路中的辐射损耗和泄露损耗，总的插入损耗就是导体损耗和介质损耗的总和。当厚度增大时，导体损耗在电路中的插入损耗中所占比重会逐渐变小。但是，并非导体损耗不重要了，而是相对比重占的约少。因此，当优化电路的插入损耗时，这时就可以从占比重大的入手，更容易达到减小电路插入损耗的目的。

Q2：在宽频段的设计中，有需要特别注意的事项吗？如2~20G线长10inch，插损变化比较大，出现波动。

Rogers：宽频段的电路设计，主要是保持宽频段范围内具有较好的回波损耗特性。测试中发现插损在高频段时出现了上下波动，这个问题的确经常被问到，其原因是在高频段时回波恶化造成的。当插入损耗随频率变化出现波动时，实际上此时在该频率附近发生了回波损耗急剧变差的情况。建议在测试过程中同时关注插入损耗和回波损耗。为了减小损耗曲线的抖动，解决方法是保持各个节点处阻抗一致性，比如连接器到线处，传输线拐角处，信号过孔处等等；另外，导线的阻抗可以以高频段下的阻抗为准来进行管控。

Q3：请问谐振环的方法是否可以用来测试Dk？在生产板材时用来质量检测的谐振环测出来的介电常数是否准确?

Rogers：谐振环方式也是一种可以测试介电常数的方式。但其是一种基于电路的测试方法，受电路加工等影响较大，测试结果不够准确。特别是在毫米波频段下更是如此，详细内容可以访问罗杰斯技术中心中的“毫米波频段下线路材料的特性表征”文章。因此，由于其测试精度和可重复性原因，生产板材时基本不用谐振环的方式作为质量检测的方法，而是采用国际电工协会IPC TM-650中定义的方法。

Q4：毫米波雷达的PCB的表面处理的选择对微波传输影响很大吗？目前选用最多的哪几种表面处理方式？

Rogers：是的，电路的不同表面处理对于高频电路，特别是毫米波电路会产生不同的影响。毫米波电路由于频率高趋肤深度小，最终的表面处理由于其导电性的不同，对传输线或贴片天线都会带来较为显著的影响。目前在毫米波雷达的PCB板中，电路的最终表面处理主要以沉银和OSP为主。

Q5：毫米波频段的表面处理为什么不可以采用化金，金的导电性能较好啊？化学镍钯金呢？

Rogers：金的导电性能的确很好，但PCB 的表面处理的化金是ENIG（Electroless Nickel/Immersion Gold），全称是化学镍金。因此整个厚度不全都是金层，而实际只有薄薄的金层，而金层下方更多的是镍层。尽管毫米波趋肤深度小，但金层的厚度非常薄，大部分信号仍需要通过金下方的镍层进行传导。镍的导电性能差且具有磁性，对于电路的损耗和信号传播有非常显著的影响。化学镍钯金是ENEPIG，多了一层钯层，而镍层相对ENIG要薄一些，但仍存在镍层，仍会对电路的电性能产生显著的影响。毫米波下的电路几乎不选择ENIG或ENEPIG这种表面处理。

Q6：PCB引起的时延有时是很关键的，怎么去评估呢？

Rogers：时延的评估可以通过设计相应类似的电路，如传输线电路，来测试获得时延具体特性；也可以通过测试相位角的变化来获得时延的变化情况。当然，也可以通过测试介电常数的方法去评估。介电常数的变化，实际就是信号在介质中传播的相位延时变化的结果，相位延时的增加意味着波的传播变慢，介电常数增加。因此，在相同线长的情况下，电路呈现的介电常数高（设计Dk），相位角延时大。

Q7：SIW传输线损耗与宽度和介质厚度这块也有关系，请问这块有相关数据吗？

Rogers：SIW的截止频率与材料的厚度，和过孔的宽度相关的，在设计相同截止频率的SIW的情况下，所选材料厚度增加，相应的过孔宽度会变小。SIW的损耗仍然是由导体损耗和介质损耗两部分组成。相同频率下，介质损耗一定，而不同厚度的SIW其导体损耗则不相同。材料厚度越薄，导体损耗所受到的铜箔粗糙度带来的影响越大，损耗越大。为降低SIW的总的损耗，可以选用较厚的材料减小铜箔粗糙度的影响，从而减小导体损耗部分。

Q8：微带线与同轴线，带状线等过渡的有效方式有哪些，需要注意些什么？

Rogers：同轴线到微带线，微带线到带状线有多种不同的过渡方式，比如同轴到微带线渐进线设计，比如过孔到带状线过渡，或者耦合的方式等等。为达到较好的射频性能，不同的方式在加工和设计中注意点不同。但总的方向是一样的，就是保持过渡结构中的阻抗连续性。比如同轴到微带线，通过改变渐进性的长度和宽度，可以改变过渡结构的感性和容性达到匹配，保持阻抗一致性。比如过孔设计中，过孔的大小，焊盘大小，隔离焊盘大小，过孔长度等都有进行优化设计来保持阻抗一致性。

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