PCB-Auswahl und Berücksichtigung des Übergangs vom Mikrowellen- zum Millimeterwellenband-Design

Die Signalfrequenz bei der Anwendung von Automobilradar variiert zwischen 30 und 300 GHz, sogar nur 24 GHz.Mit Hilfe verschiedener Schaltkreisfunktionen werden diese Signale über verschiedene Übertragungsleitungstechnologien wie Mikrostreifenleitungen, Streifenleitungen, substratintegrierte Wellenleiter (SIW) und geerdete koplanare Wellenleiter (GCPW) übertragen.Diese Übertragungsleitungstechnologien (Abb. 1) werden üblicherweise bei Mikrowellenfrequenzen und manchmal auch bei Millimeterwellenfrequenzen eingesetzt.Es sind speziell für diesen Hochfrequenzzustand verwendete Schaltkreislaminatmaterialien erforderlich.Mikrostreifenleitungen sind die einfachste und am häufigsten verwendete Übertragungsleitungsschaltungstechnologie und können durch den Einsatz herkömmlicher Schaltungsverarbeitungstechnologie eine hohe Schaltungsqualifizierungsrate erreichen.Wenn die Frequenz jedoch auf die Millimeterwellenfrequenz angehoben wird, handelt es sich möglicherweise nicht um die beste Übertragungsleitung.Jede Übertragungsleitung hat ihre eigenen Vor- und Nachteile.Obwohl die Mikrostreifenleitung beispielsweise einfach zu verarbeiten ist, muss sie das Problem des hohen Strahlungsverlusts lösen, wenn sie bei der Millimeterwellenfrequenz verwendet wird.

Abbildung 1 Beim Übergang zur Millimeterwellenfrequenz müssen Entwickler von Mikrowellenschaltungen die Wahl zwischen mindestens vier Übertragungsleitungstechnologien bei Mikrowellenfrequenz haben

Obwohl die offene Struktur der Mikrostreifenleitung für die physische Verbindung praktisch ist, verursacht sie bei höheren Frequenzen auch einige Probleme.In der Mikrostreifen-Übertragungsleitung breiten sich elektromagnetische (EM) Wellen durch den Leiter des Schaltkreismaterials und das dielektrische Substrat aus, einige elektromagnetische Wellen breiten sich jedoch auch durch die umgebende Luft aus.Aufgrund des niedrigen Dk-Werts von Luft ist der effektive Dk-Wert der Schaltung niedriger als der des Schaltungsmaterials, was bei der Schaltungssimulation berücksichtigt werden muss.Im Vergleich zu Materialien mit niedrigem Dk neigen Schaltkreise aus Materialien mit hohem Dk dazu, die Übertragung elektromagnetischer Wellen zu behindern und die Ausbreitungsrate zu verringern.Daher werden in Millimeterwellenschaltungen üblicherweise Schaltkreismaterialien mit niedrigem Dk-Wert verwendet.

Da in der Luft ein gewisser Grad an elektromagnetischer Energie vorhanden ist, strahlt die Mikrostreifenleitungsschaltung ähnlich einer Antenne nach außen in die Luft.Dies führt zu unnötigen Strahlungsverlusten in der Mikrostreifenleitungsschaltung, und die Verluste nehmen mit zunehmender Frequenz zu, was auch die Schaltungsdesigner vor Herausforderungen stellt, die die Mikrostreifenleitung untersuchen, um die Strahlungsverluste der Schaltung zu begrenzen.Um den Strahlungsverlust zu reduzieren, können Mikrostreifenleitungen mit Schaltungsmaterialien mit höheren Dk-Werten hergestellt werden.Allerdings verlangsamt die Erhöhung von Dk die Ausbreitungsrate elektromagnetischer Wellen (relativ zur Luft), was zu einer Phasenverschiebung des Signals führt.Eine andere Methode besteht darin, den Strahlungsverlust durch die Verwendung dünnerer Schaltungsmaterialien zur Verarbeitung von Mikrostreifenleitungen zu reduzieren.Im Vergleich zu dickeren Schaltungsmaterialien sind dünnere Schaltungsmaterialien jedoch anfälliger für den Einfluss der Oberflächenrauheit der Kupferfolie, die auch eine gewisse Phasenverschiebung des Signals verursacht.

Obwohl die Konfiguration der Mikrostreifenleitungsschaltung einfach ist, erfordert die Mikrostreifenleitungsschaltung im Millimeterwellenband eine präzise Toleranzkontrolle.Beispielsweise muss die Leiterbreite streng kontrolliert werden, und je höher die Frequenz, desto strenger ist die Toleranz.Daher reagiert die Mikrostreifenleitung im Millimeterwellenfrequenzband sehr empfindlich auf Änderungen der Verarbeitungstechnologie sowie auf die Dicke des dielektrischen Materials und des Kupfers im Material, und die Toleranzanforderungen für die erforderliche Schaltungsgröße sind sehr streng.

Stripline ist eine zuverlässige Übertragungsleitungstechnologie, die bei der Millimeterwellenfrequenz eine gute Rolle spielen kann.Allerdings ist der Streifenleiter im Vergleich zur Mikrostreifenleitung vom Medium umgeben, sodass es nicht einfach ist, den Stecker oder andere Ein-/Ausgangsanschlüsse zur Signalübertragung an die Streifenleitung anzuschließen.Der Streifenleiter kann als eine Art flaches Koaxialkabel betrachtet werden, bei dem der Leiter von einer dielektrischen Schicht umhüllt und dann von einer Schicht bedeckt wird.Diese Struktur kann eine hochwertige Schaltkreisisolation bieten und gleichzeitig die Signalausbreitung im Schaltkreismaterial (und nicht in der Umgebungsluft) aufrechterhalten.Die elektromagnetische Welle breitet sich immer durch das Schaltungsmaterial aus.Die Streifenleitungsschaltung kann anhand der Eigenschaften des Schaltungsmaterials simuliert werden, ohne den Einfluss elektromagnetischer Wellen in der Luft zu berücksichtigen.Allerdings ist der vom Medium umgebene Schaltungsleiter anfällig für Änderungen in der Verarbeitungstechnologie, und die Herausforderungen der Signalzuführung erschweren die Bewältigung durch die Streifenleitung, insbesondere unter der Bedingung einer kleineren Steckergröße bei Millimeterwellenfrequenz.Daher werden Streifenleitungen, mit Ausnahme einiger Schaltkreise, die in Automobilradargeräten verwendet werden, normalerweise nicht in Millimeterwellenschaltkreisen verwendet.

Da in der Luft ein gewisser Grad an elektromagnetischer Energie vorhanden ist, strahlt die Mikrostreifenleitungsschaltung ähnlich einer Antenne nach außen in die Luft.Dies führt zu unnötigen Strahlungsverlusten in der Mikrostreifenleitungsschaltung, und die Verluste nehmen mit zunehmender Frequenz zu, was auch die Schaltungsdesigner vor Herausforderungen stellt, die die Mikrostreifenleitung untersuchen, um die Strahlungsverluste der Schaltung zu begrenzen.Um den Strahlungsverlust zu reduzieren, können Mikrostreifenleitungen mit Schaltungsmaterialien mit höheren Dk-Werten hergestellt werden.Allerdings verlangsamt die Erhöhung von Dk die Ausbreitungsrate elektromagnetischer Wellen (relativ zur Luft), was zu einer Phasenverschiebung des Signals führt.Eine andere Methode besteht darin, den Strahlungsverlust durch die Verwendung dünnerer Schaltungsmaterialien zur Verarbeitung von Mikrostreifenleitungen zu reduzieren.Im Vergleich zu dickeren Schaltungsmaterialien sind dünnere Schaltungsmaterialien jedoch anfälliger für den Einfluss der Oberflächenrauheit der Kupferfolie, die auch eine gewisse Phasenverschiebung des Signals verursacht.

Obwohl die Konfiguration der Mikrostreifenleitungsschaltung einfach ist, erfordert die Mikrostreifenleitungsschaltung im Millimeterwellenband eine präzise Toleranzkontrolle.Beispielsweise muss die Leiterbreite streng kontrolliert werden, und je höher die Frequenz, desto strenger ist die Toleranz.Daher reagiert die Mikrostreifenleitung im Millimeterwellenfrequenzband sehr empfindlich auf Änderungen der Verarbeitungstechnologie sowie auf die Dicke des dielektrischen Materials und des Kupfers im Material, und die Toleranzanforderungen für die erforderliche Schaltungsgröße sind sehr streng.

Stripline ist eine zuverlässige Übertragungsleitungstechnologie, die bei der Millimeterwellenfrequenz eine gute Rolle spielen kann.Allerdings ist der Streifenleiter im Vergleich zur Mikrostreifenleitung vom Medium umgeben, sodass es nicht einfach ist, den Stecker oder andere Ein-/Ausgangsanschlüsse zur Signalübertragung an die Streifenleitung anzuschließen.Der Streifenleiter kann als eine Art flaches Koaxialkabel betrachtet werden, bei dem der Leiter von einer dielektrischen Schicht umhüllt und dann von einer Schicht bedeckt wird.Diese Struktur kann eine hochwertige Schaltkreisisolation bieten und gleichzeitig die Signalausbreitung im Schaltkreismaterial (und nicht in der Umgebungsluft) aufrechterhalten.Die elektromagnetische Welle breitet sich immer durch das Schaltungsmaterial aus.Die Streifenleitungsschaltung kann anhand der Eigenschaften des Schaltungsmaterials simuliert werden, ohne den Einfluss elektromagnetischer Wellen in der Luft zu berücksichtigen.Allerdings ist der vom Medium umgebene Schaltungsleiter anfällig für Änderungen in der Verarbeitungstechnologie, und die Herausforderungen der Signalzuführung erschweren die Bewältigung durch die Streifenleitung, insbesondere unter der Bedingung einer kleineren Steckergröße bei Millimeterwellenfrequenz.Daher werden Streifenleitungen, mit Ausnahme einiger Schaltkreise, die in Automobilradargeräten verwendet werden, normalerweise nicht in Millimeterwellenschaltkreisen verwendet.

Abbildung 2 Das Design und die Simulation des GCPW-Schaltungsleiters sind rechteckig (Abbildung oben), der Leiter wird jedoch zu einem Trapez verarbeitet (Abbildung unten), was unterschiedliche Auswirkungen auf die Millimeterwellenfrequenz hat.

Bei vielen aufkommenden Millimeterwellen-Schaltungsanwendungen, die empfindlich auf die Signalphasenantwort reagieren (z. B. Automobilradar), sollten die Ursachen für Phaseninkonsistenz minimiert werden.Die GCPW-Schaltung mit Millimeterwellenfrequenz ist anfällig für Änderungen in der Material- und Verarbeitungstechnologie, einschließlich Änderungen im Material-Dk-Wert und der Substratdicke.Zweitens kann die Leistung der Schaltung durch die Dicke des Kupferleiters und die Oberflächenrauheit der Kupferfolie beeinflusst werden.Daher sollte die Dicke des Kupferleiters innerhalb einer engen Toleranz gehalten und die Oberflächenrauheit der Kupferfolie minimiert werden.Drittens kann die Wahl der Oberflächenbeschichtung der GCPW-Schaltung auch die Millimeterwellenleistung der Schaltung beeinflussen.Beispielsweise weist die Schaltung mit chemischem Nickel-Gold einen größeren Nickelverlust auf als Kupfer, und die vernickelte Oberflächenschicht erhöht den Verlust von GCPW oder Mikrostreifenleitungen (Abbildung 3).Schließlich führt die Änderung der Beschichtungsdicke aufgrund der kleinen Wellenlänge auch zu einer Änderung des Phasengangs, und der Einfluss von GCPW ist größer als der von Mikrostreifenleitungen.

Abbildung 3 Die in der Abbildung gezeigte Mikrostreifenleitung und GCPW-Schaltung verwenden das gleiche Schaltungsmaterial (Rogers' 8 mil dickes RO4003C™-Laminat). Der Einfluss von ENIG auf die GCPW-Schaltung ist weitaus größer als der auf Mikrostreifenleitungen bei Millimeterwellenfrequenz.