毫米波电路如何在PCB上实现？

发表时间:2016/12/02 00:00:00 来源:互联网,RF技术社区浏览次数:11325

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毫米波电路一贯被认为是非常独特且仅用于军事空间等特殊应用的技术。主要原因是毫米波频率范围从30到300GHz，该频段对应的波长短，要求专用元件和电路来适应短波长范围。目前低频带已被日益增加的大量无线设备所使用，毫米波频段对于未来的通信系统极具吸引力。

毫米波频段已被提议为新兴的第五代无线通信技术（5G）标准的一部分，通过可用的无线频带连接数十亿的物联网（IoT）设备。其在军事雷达系统和商用汽车防撞雷达系统中已经被使用。实现高频段频带广泛应用的主要挑战还是如何在印刷电路板（PCB）材料上实现毫米波电路的实际设计。介质集成波导（SIW）电路技术可能是一种有效的解决方案。

正如先前博客（“平面PCB形式的波导加工”）中所述，SIW结构本质上也是一种平面波导，可以支持毫米波信号甚至更高频信号的低损耗传输。SIW技术相比于微带线、带状线和接地共面波导等传统传输线技术在毫米波波段能够提供更优良的性能。

SIW通常被认为是介于微带线和介质填充波导（DFW）之间的过渡形式。SIW可以使用许多和微带线相同的方法加工，而微带线电路在毫米波频段必须满足小尺寸和严格加工偏差要求才能实现信号的传输。

此外，SIW电路不像微带线电路一样具有辐射损耗。实际上，SIW电路也不像其他传输线技术一样具有电磁干扰（EMI）等潜在问题。SIW技术为实现紧凑器件加工提供了方法，它不仅适用于滤波器等无源器件，也适用于微波和毫米波波段振荡器等有源器件。商用电磁仿真软件可进行SIW电路的辅助设计、仿真和优化，这些软件都可以有效仿真SIW电路的介质基底对SIW电路的影响。

在SIW传输线中，首先会在介质材料中形成一个矩形波导。通常使用的电路板材料如罗杰斯公司LoPro®层压板材料，该材料在10 GHz时的Z向（厚度方向）相对介电常数为3.48。RO4350B™LoPro®具有较低损特性，已被广泛用于无线基站功率放大器。他同样满足SIW电路的需求，且可以通过FR-4电路材料加工工艺实现低成本的加工。

基于如在RO4350B LoPro层压板等材料上形成的介质填充波导传输线，其上下两面均有覆盖金属层（铜箔），然后沿着基板长度方向在两边加工成排的导电通孔即可形成SIW电路。这些电镀通孔用于在PCB材料上形成矩形波导结构的侧壁。在形成SIW的嵌入式波导结构中，相比于相同波长条件下的带状线和微带传输线，SIW结构利用了更多的导体金属。这也使得在微波和毫米波频段SIW结构具有更低的导体损耗。

SIW电路加工的关键是通孔的形成和通孔的间隙。闭合的间隙因使用了更多的铜导体从而有利于实现低的导体损耗，但这将导致SIW PCB的加工耗时更长且更复杂。而宽间隙可以节省加工时间，但这会增加导体损耗并导致更高的电磁泄露损耗。SIW电路和其他高频电路一样具有介质损耗，该损耗和所选的电路基材种类有关。不管是微波频段还是毫米波频段的SIW电路及其他所有高频电路，PCB材料的选择必须综合权衡性能和成本。

对于SIW可靠性而言，一个重要的PCB材料参数是热膨胀系数(CTE)，该系数描述了电路材料随温度上升产生的膨胀情况。SIW中的通孔是穿过介质PCB材料的电镀通孔（PTHs），随着温度的升高，高的CTE值将使电路产生过度的膨胀，进一步导致侧壁电镀通孔承受额外的应力。前面提到的的RO4350B

LoPro材料和罗杰斯公司的RO4835 LoPro电路材料均具有稳定的热膨胀特点，是高可靠SIW电路的理想基材。RO4835 LoPro电路材料在多层电路高层数的加工中已被使用多年，层间互连的电镀孔具有良好的可靠性。

对于高性价比SIW电路的加工，使用RO4835B LoPro 和RO4835 LoPro材料的另一个优势是可通过标准FR-4环氧/玻璃工艺加工，降低产品加工成本。

在毫米波波段，SIW电路具有比机械构件波导和微带线、带状线及接地共面波导等传统传输线更低的损耗。SIW电路和机械构件波导有一些共同点，比如更低的截止频率。与之相同，SIW电路的工作频率和带宽也依赖于电路的设计尺寸。设计者必须理解SIW电路可能工作在更低(或更高)的截止频率和理想的低损通带。通过使用微带线及接地共面波导传输线作为馈线实现电路和SIW电路的连接，SIW电路就能与其他传统传输线技术协同互连。

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