【经验】如何在电磁仿真软件MWI-2018中模拟铜箔表面粗糙度对电路的影响

时间： 2019-01-05 来源：ROGERS

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铜是用于射频/微波印刷线路板的优良导体。它是设计诸如微带线、带状线等低损耗传输线的基础，然而，不同的电路材料上，甚至同一张材料的不同区域，铜箔表面的粗糙度也可能不同，从而影响到高频性能。在理想情况下，为了在线路板上和线路板之间提供一致的信号传输特性，线路板上的铜箔应光滑且良好一致的。但实际上任何覆铜层压线路板的铜箔表面都具有一定的粗糙度，可能会影响线路板的最终性能。

幸运的是，最新的电磁仿真软件允许用户定义添加线路板材料的关键特性，如介电常数（Dk）和铜箔表面粗糙度等参数。在电路设计和性能仿真过程中，可以使模拟仿真的结果与实际电路的测量结果非常一致，即使铜箔表面粗糙度在整个线路板存在一定产生变化的电路。

了解介电常数

当在商业电磁仿真软件中对电路进行建模仿真时，为了充分考虑线路板材料铜箔表面粗糙度的影响，了解铜箔表面粗糙度如何影响高频电路的性能，以及Dk与材料的铜箔表面粗糙度之间的关系，是很重要的。事实上，线路板材料的电路的Dk值会受到铜箔表面粗糙度因素的影响，在电磁仿真软件中把这种电路的Dk值通常称为设计Dk(Design Dk)值。

例如，依据铜箔表面粗糙度的变化，导致在该材料上加工制成的电路相位响应会产生不可预期的变化。在某些高频应用条件下（因信号有更小的波长）这种变化会更加显著，例如，目前在汽车高级驾驶辅助系统（ADAS）应用中的电子安全系统，以及被规划用于第五代（5G）移动无线通信网络中的高速短程数据链路等应用的毫米波频段。

设计Dk值与频率相关，通常把10GHz频率下的值作为设计Dk值，不同频率下的其Dk值可能不同。设计Dk是从微带传输线电路的测试中得到的，是材料的z轴（厚度）方向的Dk值。

一些电磁仿真软件仅使用z轴方向的设计Dk值进行仿真，而另一些电磁仿真软件可能同时需要线路板材料的z轴和x-y平面Dk的值。当要考虑电路的各向异性参数时，通常需要在软件中输入材料x-y平面的Dk值。

使用哪个介电常数?

线路板材料的设计Dk值对于电路电磁仿真的准确性而言是极其重要的。了解线路板材料制造商对某一特定材料的设计Dk值的测试方法很有帮助，材料的设计Dk是通过使用微带差分相位长度测试方法得到。

虽然可以通过在严格的环境受控条件下测量得到线路板材料的Dk值，但是也有许多Dk测试方法仍基于现有的电路。例如，微带环谐振器法和微带差分相位长度法。在精确的测试条件（频率）下，电路的性能测量揭示了有关线路板材料的特性，这有助于确定其Dk值。不过，电路中的任何变化，例如导体蚀刻和镀铜厚度，都会导致材料Dk值测量的不准确性。当使用多层电路（例如基于带状线的电路）来确定材料的Dk时，其他的一些变量也可能导致线路板材料的Dk值的测量不准确。例如，多层板内层的厚度变化，或者用于连接的粘合材料的Dk可能与芯板材料的Dk不同等。因此，为了在仿真软件中准确的仿真结果，在确定线路板材料的Dk或最终设计Dk时，必须考虑到这些因素。

罗杰斯公司的线路板材料都会提供设计Dk值，测试方法是基于微带传输线电路的方法来确定材料的Dk值。这些设计Dk值明确标示在线路板材料数据表中，这个Dk值不包括铜箔表面粗糙度的影响。然而，MWI-2018软件工具上可以获得包括铜箔粗糙度影响、更多更详细的材料设计Dk的信息，对于在商业电磁仿真软件中对电路建模非常有用。

罗杰斯的MWI-2018软件可以通过各种选项显示每种线路板材料的设计Dk值。一种选择是Bulk Dk，其只考虑材料自身而不考虑铜箔表面粗糙度的影响。这种设计Dk值用在仿真软件具有可以计算电路上铜箔粗糙度带来的相位响应影响的能力，不需要一个“预加载”的设计Dk值。而有的仿真软件没有内嵌这种仿真器时，就需要选择含有铜箔表面粗糙度的影响的另外的设计Dk值。

目前很多的商业电磁仿真软件都可进行铜箔表面粗糙度对相位响应的影响的电路建模。例如，来自ANSYS的HFSS电磁仿真软件，来自Computer Simulation Technology 的CST Studio套件，以及来自Sonnet Software的 Sonnet电磁仿真软件等。ANSYS HFSS软件能够预测电路中铜箔表面粗糙度引起的电路相位效应（今年早些时候发布的一篇博客却给出了相反的说法在这予以纠正）。这些电磁仿真软件已经可以计算出铜箔表面粗糙度对电路相位性能的影响，因此并且不需要额外的数据或不包含铜箔粗糙度影响的设计Dk值，Bulk Dk。

对于无法预测铜箔表面粗糙度影响的仿真软件，就应使用含有铜箔粗糙度影响的设计Dk而不是“Bulk Dk”，这些值可以在包含罗杰斯所有材料设计Dk的MWI-2018工具软件中找到。仿真时候选择不同的Dk值会影响仿真结果的准确性。对于能够计算材料铜箔表面粗糙度对电路相位响应影响的仿真软件，就应该选择Bulk Dk值，因为仿真软件已经考虑了铜箔带来的这些相位效应。如果再选用含有铜箔粗糙度影响的设计Dk值，那么电路仿真中就两次考虑了铜箔粗糙度带来的影响，造成仿真的不准确。

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Design Dk和Dk一般我们在仿真用哪个比较好？还是都需要多加工测试几次试一试？不同频率使用不同的测试方法（Test Method），想请问评估依据是什么？高频用微带线方法才会比较准吗？

请使用罗杰斯提供的77GHz下面的Dk测试结果进行初步仿真。并且推荐您加工测试后，对Dk进行修正。因为罗杰斯的77GHz下Dk结果是由微带长短相差法进行测试的结果，对于patch天线极其串馈的馈线仍不能完全表征。罗杰斯通过了解客户在各个不同频段的应用来选择测试方法，力求提供最接近客户实际应用的参考介电常数和损耗数据。比如，您在77GHz做微带线设计，罗杰斯就采用77GHz的微带线长短相差法进行测试。给出的测试结果，您在仿真软件中使用时会最好地代表实际情况，使您仿真结果和实测能够更好的吻合。目前在77GHz雷达中，大家普遍使用的patch天线，属于谐振结构，与微带传输线的场分布不同。罗杰斯的微带线长短相差法提供的介电常数就不能最好地表征实际情况，您使用这个介电常数仿真后的结果可能与实际不同。罗杰斯有计划使用谐振环法对目前的77GHz常用板材进行进一步测试，得到结果后会向大家公布。

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