随着现代通信技术的迅速发展,低频以及微波频段的频谱资源日益枯竭,越来越多的无线应用正在向更高的毫米波(mmWave)频率拓展。例如:第五代(5G)无线蜂窝移动通信以及高级驾驶员辅助系统(ADAS)等应用,均采用了 24GHz 以上的频段。但是,信号的功率通常会随着频率的增加而降低,因此,毫米波电路技术必须在充分利用现有信号功率的同时尽量减少信号损耗。在毫米波电路中维持信号功率不仅取决于印刷电路板(PCB)材料,而且还取决于传输线技术的选择。如果充分考虑到在电路设计和制造过程中影响因素,那么,在毫米波频率下采用接地共面波导(GCPW)传输线,同时配合使用低损耗的 PCB 材料,就可以获得优异的电路性能。


与其它高频传输线技术(如:带状线、微带线)相比,GCPW 电路技术具有天然优势,尤其是在毫米波频率下。GCPW 的结构简单明了:顶层传输线采用“接地-信号-接地(GSG)”结构,中间层为单层的电介质层,底层为接地层,顶层和底层的接地层通过电镀通孔(PTH)互连。虽然 GCPW 不符合微带线的简单结构,但是 GCPW 比起带状线来说(顶部和底部均具有介电层)要简单得多。与 GCPW 相比,微带线虽然结构简单,但会增加毫米波频率下的损耗。在毫米波频率下,微带传输线电路比 GCPW 电路更容易向外界辐射能量,特别是紧密布局的电路和外壳中,存在潜在的干扰和电磁兼容性(EMC)问题。

 

然而,GCPW 的最终性能应用还需要了解电路在实际加工影响,因为在利用各种计算机辅助(CAE)软件仿真 GCPW 电路时,材料属性的各项参数设置几乎都是理想情况下的。所以,这些因素都可能会导致软件的仿真结果与实际加工出来的 GCPW 电路实测结果之间存在一定差异,特别是对于大批量毫米波电路的设计。

 

即使是在加工电路之前,PCB 材料的微小变化也会影响 GCPW 电路的性能,尤其是在毫米波频率的小波长下,波长对这些变化非常敏感。例如,电介质材料的厚度和导体的厚度的变化会导致毫米波频率下的 GCPW 性能变化。铜导体中表面粗糙度也会影响 GCPW 性能,任何其它电镀层(例如制造 GCPW 电路的 PTH 电镀层)的变化也会影响 GCPW 性能。

 

工艺处理

尽管 GCPW 传输线技术非常适合在毫米波频率下生产一致性较高的 PCB 电路,但它仍然必须与高可靠性的线路板材料(如:介电常数 Dk、损耗因子 Df)配合使用。此外,毫米波电路的加工工艺必须是可重复的,以保证电路在大批量生产时能保持良好的一致性。加工工艺的变化可能会导致 PCB 性能变化。例如,用于连接 GCPW 电路中两个接地层的 PTH 的位置可能会因电路而不同,这个细小差异也会成为性能发生变化的一个原因。

 

GCPW 导体的形状可能会因电路而异,从而导致所制造的 GCPW 电路之间存在性能差异。CAE 仿真软件在对铜箔导体进行建模时,通常会将其假设成理想的导体形状(从横截面视图看是矩形)。并以此为基础来预测给定电路的性能水平。但在实际加工时,大多数 GCPW 电路的表面导体加工出来是呈梯形形状,不同电路的导体都有产生一定程度的变化。这些导体的变化会导致 GCPW 电路的电气性能变化,特别是对插入损耗和信号相位角的影响,而且这种变化带来的影响会随着频率的提高而增加。

 

由于实际导体和理想导体之间的差异,导致了实际电路(加工后导体呈梯形状)与理想电路(矩形)的性能水平之间存在差别。由于在毫米波频率下对应的信号波长变小,对电路异常敏感,理想的电路导体反应出的是电路有效介电常数和相关相位响应的最小变化,而标准的 PCB 制造工艺不可避免地存在微小误差,这也可能会导致电路之间的性能发生变化。

 

另外,根据 GSG 结构中侧壁间隔的疏密程度,GCPW 电路具有不同的耦合量。一般地,相距更近的导体会产生更紧密的耦合。与松耦合 GCPW 传输线相比,紧耦合 GCPW 电路在共面导体侧壁上具有更大的电流密度。松耦合的 GCPW 电路对电路制造工艺变化的敏感性更小,因为它们无法获得额外接地而更表现得非常像微带传输线电路。

 

任何用于制造毫米波 GCPW 电路的线路板材料,如罗杰斯公司的 RO3003™层压板(z 轴的 Dk 为 3.00±0.04,在 10 GHz 时的 Df 为 0.0010),其铜箔表面(铜箔与介质层相交处)的粗糙度将影响在该材料上制造的电路的性能,尤其是在更高频率(如毫米波频率)和更薄的电路中。粗糙的铜箔表面会导致这些电路插入损耗的增加和信号相速度的减慢。导体插入损耗也会受到铜箔导体的相对宽度以及导体厚度的影响。较宽的导体会表现出较小的损耗,而较厚的导体将导致 GCPW 传输线使用更多的空气(其单位 Dk 值较低),以较低的损耗进行传输。当然,具有较高 Dk 值的电路材料也会带来较慢的相速度。

 

金属电镀

制造任何类型的 GCPW 电路,都会涉及到对 PCB 材料进行电镀。例如:在做过孔金属化时,会在线路板材料上先钻一些孔,将孔壁电镀上一层铜,实现顶部和底部接地层之间的导通,在这个过程中顶层和底层的 PCB 铜层上也不可避免地会再次镀上一层铜。另外,还有可能会在 GCPW 电路上再次进行金属电镀,以形成最终的表面处理电镀层并保护铜导体。表面处理的电镀使用的金属导电性通常会低于铜,这会增加导体损耗并导致插入损耗增加;而且,这种镀层表面也会影响相位响应,因此这方面的影响在毫米波频率下是必须考虑的。

 

计算机软件仿真的结果和实际加工出来的毫米波 GCPW 电路的测量结果之间必然会存在差异。成功实现毫米波 GCPW 电路大批量生产的关键之一是:通过特定的材料特性和特定的电路特性,将各种误差变化做到最小化。通过了解成熟的线路板材料(例如 RO3003 层压板)会如何受到不同的 GCPW 制造工艺的影响,就有可能建立有意义的生产性能公差标准。从而,即使对于 77GHz 的毫米波 ADAS 电路,也可以实现高良率。