【技术大神】电路板不同参数对应的射频微带线宽与插损评估

2017-11-07 世强 搬砖的奶爸
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本人是一个搬砖多年的射频工程师，在工作过程中有很多问题都被询问了很多次。其中问的概率最大的两个问题就是：

1.一根50欧姆的射频线在这个板层结构可以走多宽。

2.一根XX宽度的射频线XX长插损是多少。


不仅是射频工程师，别的领域的工程师大部分也可能纠结以上两个问题。针对第一个问题相对还好解答一点，比较专业的EDA的工程师可以给我们答复，又或者在网上也有很多小软件也可以计算出来。但是针对第二个问题，完全是射频领域的问题，有很多从事射频工作的同事可能也没有特别深入的了解。


我们可以在电路板上进行实测来解决上述问题，但是在没有板材实物或者准备应用新的板材结构时，就需要进行仿真评估。仿真软件有很多，不过作为一个射频工程师，一般找工作大部分的面试官都会需求要熟练掌握ADS仿真软件。所以在这里我们用ADS来仿真给大家做数据评估。ADS是一款强大的软件，无论在原理图层面、PCB层面均可以做各式各样的仿真。在射频领域可以仿真LNA、MIXER、PA等电路，也同样可以仿真NF、HB、PAE等射频比较关注的参数。


罗杰斯TMM®高频层压板是高可靠性的带状导线和微带线应用的理想选择，并且通过了RoHS认证，产品中的铅、汞、镉等有害物质含量极低，是环保型产品。针对RF走线的宽度，PCB板材主要关注的是介电常数、损耗因子、射频走线高度、各个板层的距离等参数，而针对前两个参数主要和PCB的板材本身有关。根据介电常数、损耗因子、弯曲强度、比热等的不同，罗杰斯TMM®高频层压板分为TMM3®、TMM4®、TMM6®、TMM10®、TMM10i®、TMM13i®，具体每个参数可以看见下面的表格。


表1


在ADS里面，有一个LineCalc的插件（在ADS主界面点击TOOLS→LINECALC）。


图1


这个插件可以通过设置参数来计算不同阻抗下射频线的线宽，如下图。


图2


由插件的设置参数可以明确看出，决定微带线的宽度的主要参数有介电常数Er、损耗因子、微带线高度、板层高度，其他用默认的数值即可。关于微带线高度和板层高度，我们用实际项目来分析，一般手机电路板TOP层的微带线高度为1.3mil，TOP层与LAYER2之间的高度2mil。


在这里，我们采用罗杰斯TMM3和TMM13i做对比，射频频段采用5.8GHz（WIFI频段）做分析，如下面所示。由于TMM3®的介电常数为3.27、损耗因子为0.002；而TMM13i®的介电常数是12.85、损耗因子为0.0019（经过实际操作，发现ADS默认对小数点后三位有效，0.0019会自动变成0.1，所以也取0.002）。从而在这两种场景下，在5.8GHz频段下的宽度分别为0.099mm和0.022mm，经过具体如下图。


图3


图4


现在开始仿真，不考虑过孔、焊盘等因素的影响，暂时只考虑单根微带线线损，通过实际项目可知，WIFI在5.8GHz频段走20mm的长度应该是没问题的，所以我们就仿真一下微带线在50欧姆阻抗，20mm长度时的插损。在ADS仿真原理图如下图，MSUB填入PCB板材的参数，开始进行仿真。


图5


原理图绘制完毕，可以开始仿真了，不同板材不同的仿真结果可以看下图。仿真后可以看出，在同样电路板叠层结构的前提下，两种材质的电路板的线损还是差距很大的。在TMM3的场景下的插损是0.316dB，而TMM13i®的场景下的线损竟然达到了1dB。这里面还要和大家确认几个细节：


1.经过实际仿真发现，损耗因子这个参数虽然对微带线宽影响不大，但是对插损却有一定影响，所以在仿真微带线的场景下损耗因子一定要输入正确的值。


2.因为每个公司的标准都不一样，对叠层结构的要求也不一样，所以在这里面选取的手机叠层结构未必符合每个读者的需求。但是为了对比每个板材材质的差异，所以只能暂时把电路板叠层结构这个场景固定，请各位理解。


图6


图7


由于篇幅字数有限，暂时给大家介绍到这里。在这里进行一下总结：

1.本文在这里介绍了不同材质对射频线的插损的影响，由于场景太多，如果哪位要是有别的材质需要仿真的话可以留言，我也可以在评论中答复你。


2.本篇文章只介绍了微带线，如果各位要是有兴趣的话，我可以接着和大家讨论一下带状线，过孔等仿真。


3.不同板材对不同产品、不同叠层结构的选取方式不同，这个和每个公司的产品有关，不能一概而论。


技术顾问：两星镶月


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全部评论（17）

  • OutstandingEngineer Lv6. 高级专家 2018-04-27
    专业，说的非常具体。
  • 双龙 Lv4. 资深工程师 2018-03-31
    这个不错哦哦
  • 小倾听 Lv8. 研究员 2018-03-07
    学习
  • 游来游去 Lv8. 研究员 2018-02-08
    学习
  • 用户18396822 Lv8 2017-12-19
    很好的资料
  • 耕者 Lv6. 高级专家 2017-11-20
    板材的学文很大啊，越看越觉得不懂了~
  • tor Lv7. 资深专家 2017-11-19
    学习了
  • 小燕子吧 Lv4. 资深工程师 2017-11-18
    学习了
  • Janvense Lv7. 资深专家 2017-11-18
    学习了
  • 耕者 Lv6. 高级专家 2017-11-18
    好东西，受益匪浅~
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