Новости PCB - Влияние структуры печатной платы на характеристики радара миллиметрового диапазона

В большинстве распространенных композитных печатных плат в качестве наполнителя диэлектрического слоя используется стекловолокно.Однако из-за особой структуры переплетения стекловолокна локальная диэлектрическая проницаемость (Dk) печатной платы может изменяться. Особенно на частотах миллиметрового диапазона (mmWave), где эффект стекловолокна из-за более тонких печатных плат более выражен, локальные неоднородности в Dk могут привести к значительным изменениям характеристик радиочастотных схем и антенн. Для изучения влияния структуры печатной платы на производительность линии передачи была использована печатная плата из политетрафторэтилена (PTFE) толщиной 100 мкм, сплетенная из стекла.Эксперименты показали, что в зависимости от типа структуры стекловолокна диэлектрическая проницаемость печатной платы колеблется в пределах от 0,01 до 0,22.

Для изучения влияния различных структур стеклянной оплетки на характеристики антенны была изготовлена микрополосковая антенная решетка с патч-решеткой с последовательным подключением на коммерческих печатных платах Rogers RO4835 и RO4830, изготовленных из термореактивных печатных плат. Результаты экспериментов показывают, что после того, как печатная плата RO4830 была обработана в соответствии с нормальными допусками, расчетные значения стали более согласованными, менее изменчивыми, с лучшим коэффициентом отражения (S11 <-10 дБ) и коэффициентом усиления визирования.

Беспилотные автомобили являются актуальной темой исследований.Они помогают водителям и пешеходам избежать аварий с потенциальным летальным исходом и требуют высокой надежности.Следовательно, схемы, которые они формируют, должны обладать высокой надежностью.Радар миллиметрового диапазона обладает многими преимуществами в области обнаружения окружающей среды, такими как компактная конструкция и высокая чувствительность, и обеспечивает надежное и точное решение для обнаружения целей при автономном вождении. В коммерческих радиолокационных системах миллиметрового диапазона с частотами от 76 до 81 ГГц микрополосковые накладные антенны с последовательным питанием стали основным выбором благодаря простоте конструкции, компактности, большому объему и низкой стоимости изготовления. Чем выше частота, тем меньше длина волны. Следовательно, размеры линий передачи и антенн, работающих на миллиметровых частотах, будут меньше по сравнению с низкочастотными.

радиочастотные (RF) цепи

Чтобы обеспечить идеальную работу автомобильного радара, необходимо изучить влияние печатных плат на линии передачи и микрополосковые патч-антенны. Для схем миллиметрового диапазона частот, которые длительное время работают на открытом воздухе (под воздействием температуры и влажности), при выборе печатных плат первое, на что следует обратить внимание, - это соответствие эксплуатационных показателей материала. Однако медная фольга, материалы, армированные стекловолокном, керамические наполнители и другие материалы, из которых изготовлена печатная плата, оказывают большее влияние на согласованность различных квот на высоких частотах.

Диэлектрический слой большинства печатных плат обычно формируется путем нанесения полимерной смолы на стекловолоконную ткань. На частотах миллиметровых волн стекловолоконная ткань оказывает очень существенное влияние на стабильность характеристик материала, поскольку ширина жгутов из стекловолокна сопоставима с шириной линии электропередачи. Кроме того, при использовании более тонких (например, 100 мкм) печатных плат для создания микрополосковых антенн стеклоткань приведет к значительным изменениям характеристик антенны и снижению производительности обработки.

Печатные платы обычно изготавливаются путем соединения стекловолоконной ткани и полимерной смолы с образованием диэлектрического слоя, а затем покрываются с обеих сторон медной фольгой. Типичная диэлектрическая проницаемость (Dk) стеклоткани относительно высока, около 6,1, в то время как диэлектрическая проницаемость полимерной смолы с низкими потерями составляет от 2,1 до 3,0, поэтому существует определенная разница в Dk на меньшей площади. Контур над шарнирным узлом имеет более высокий Dk из-за более высокого содержания стекловолокна, в то время как контур над разомкнутым узлом имеет более низкий Dk из-за более высокого содержания смолы. Кроме того, на характеристики стеклоткани влияют многие факторы, такие как толщина стеклоткани, расстояние между тканями, способ выравнивания ткани, содержание стекла в каждой оси и т.д.

В тонких печатных платах для применения на миллиметровых волнах часто используются два типичных типа переплетения тонкой стеклоткани, а именно тип 1080 и тип 1078. В стандартном переплетении 1080 используется несимметричная стеклоткань. В этом стеклотканевом полотне один стержень содержит больше стекла, чем другой. По сравнению с тканым полотном типа 1080, стеклоткань с открытыми порами типа 1078 имеет более однородную плоскость стекловолокна, поэтому разброс Dk по всей ткани меньше. По сравнению с использованием многослойных печатных плат из стеклоткани, значение Dk для однослойных печатных плат из стеклоткани изменяется более значительно. Кроме того, ламинаты с керамическими наполнителями могут уменьшить изменения плотности, вызванные различными способами плетения стеклоткани.

Влияние на схемы линий электропередачи

В этом тестовом эксперименте используется схема микрополосковой линии передачи с клеммными соединителями диаметром 1 мм. Сначала разъем подключается к копланарному волноводу с заземлением на 50 Ом (GCPW), который преобразуется в высокоомную микрополосковую линию передачи с помощью преобразователя полного сопротивления. Длина микрополосковой линии передачи составляет 2 дюйма, что позволяет в экспериментальной схеме проверить эффективность структуры со стеклянной оплеткой. Схема построена с использованием печатной платы из политетрафторэтилена (PTFE), тонкой стеклоткани, рулонной меди и одного слоя стеклоткани. Чтобы сравнить влияние различных структур стекловолокна, схемы линий электропередачи были изготовлены на трех различных печатных платах: стеклоткань типа 1080 из ПТФЭ-политетрафторэтилена, стеклоткань типа 1078 из ПТФЭ-политетрафторэтилена, керамическая печатная плата без винила из ПТФЭ, стеклоткань типа 1080. Тщательно осмотрите обработанную схему, выберите подходящие линии передачи для тестирования и измерьте амплитудные и фазовые угловые характеристики схемы. Изменение диэлектрической проницаемости печатной платы определяется тремя параметрами: фазовым углом (значением развернутой фазы), групповой задержкой (основанной на фазовом угле в зависимости от частоты) и задержкой распространения (рассчитанной на основе фазового угла).

Микрополосковая линия передачи с подачей сигнала GCPW

Исходная групповая задержка, задержка распространения и разность фаз в цепи линии передачи, выровненной с "областью скошенного луча" и "областью открытого луча". Можно видеть, что чем выше значение Dk, тем медленнее скорость распространения электромагнитных волн, что согласуется с добавлением групповой задержки, задержки распространения и разности фаз. Рассчитанное изменение диэлектрической проницаемости основано на групповой задержке, задержке распространения и разности фаз цепи. Печатная плата из открытого волокнистого материала типа 1078 имеет равномерное распределение стеклоткани. Таким образом, по сравнению со стандартной печатной платой из плетеной ткани типа 1080 (изменение значения Dk составляет 0,22), изменение значения Dk меньше и составляет всего 0,03. Как упоминалось ранее, печатные платы с керамическим наполнителем имеют еще меньшее изменение Dk - всего 0,02.

печатная плата радара миллиметрового диапазона волн

Влияние на характеристики антенны:

Микрополосковая патч-антенная решетка с последовательным питанием является наиболее распространенной антенной в радарах миллиметрового диапазона.Для изучения влияния эффекта стекловолокна на характеристики антенны была разработана микрополосковая накладная антенна с последовательным питанием 1 × 4 и рабочим диапазоном частот 76-81 ГГц.Антенна изготовлена из двух различных стеклотканевых ламинатов RO4835 и RO4830.Антенна изготовлена из смежных элементов, заземленных для изучения эффективности их взаимодействия.

Печатная плата RO4835 имеет диэлектрическую проницаемость 3,48 и тангенс угла потерь 0,0037 при частоте 10 ГГц (на основе стандартных испытаний IPC TM-650 2.5.5.5).Кроме того, печатная плата RO4830 имеет диэлектрическую проницаемость 3,24 и тангенс угла потерь 0,0033 (на основе стандартных испытаний IPCTM-650 2.5.5.5).Печатная плата RO4835 изготовлена из несимметричной стеклоткани стандарта 1080 и армирована керамическим наполнителем.Для сравнения, печатная плата RO4830 усилена плоской открытой стекловолоконной оплеткой стандарта 1035 и керамическим наполнителем с более мелкими частицами.Характеристики печатных плат на основе RO4835 и RO4830 затем проводится сравнение.

После обработки выберите антенну, соответствующую проектному размеру, и совместите линию передачи антенны с "областью пересечения шарниров" и "областью раскрытия луча" печатной платы RO4835. Поскольку в печатной плате RO4830 используется плоская оплетка из стекловолокна, нет необходимости проверять, выровнены ли проводники в печатной плате RO4830 по стеклоткани. Измерьте коэффициент отражения (S11) и коэффициент усиления в зоне видимости обработанной антенны соответственно.

Для простоты приведенные в этой статье результаты являются усредненными по результатам испытаний нескольких тестируемых антенн, а результаты измерений сравниваются с аналоговыми результатами. Результаты испытаний антенн на печатных платах RO4835 (пять образцов). Значительно изменились коэффициент отражения (S11) и коэффициент усиления поля зрения в "области пересечения луча" и "области раскрытия луча". Эффективность антенны RO4835 зависит от совмещения проводов в "области пересечения луча" и "области раскрытия луча". Кроме того, коэффициент усиления антенны также изменяется в зависимости от частоты, что указывает на изменение диэлектрической проницаемости. Кроме того, сдвиг в направлении высоких частот указывает на более низкую диэлектрическую проницаемость.

Сравнивая характеристики антенны на печатной плате RO4830, можно отметить, что протестированные характеристики антенны полностью соответствуют аналоговым показателям на печатной плате RO4830 и лучше соответствуют друг другу. Результаты измерений согласуются с аналоговыми результатами и показывают, что диэлектрическая проницаемость печатной платы изменяется минимально. Сравнивая эти два результата, можно сказать, что максимальное изменение коэффициента усиления визирования составляет 4 дБ для стандартного ламината braid RO4835, в то время как максимальное изменение для ламината flat open braid RO4830 составляет всего 2 дБ. Благодаря такому простому эксперименту можно сделать вывод, что использование печатной платы Rogers RO4830 и плоской открытой конструкции в оплетке из стекловолокна позволяет добиться более стабильных характеристик антенны, таких как коэффициент отражения и коэффициент усиления в поле зрения.

Структура печатной платы влияет на характеристики линии передачи и антенны. Использование стеклоткани также приводит к изменению диэлектрической проницаемости печатной платы, что снижает эксплуатационные характеристики изделия и влияет на выход продукта. По сравнению с печатными платами RO4835, антенны, обработанные с использованием печатных плат RO4830, имеют более стабильную производительность. Повышение производительности антенны и производительности обработки в первую очередь связано с конструкцией ламината, т.е. плоские переплетения из стекловолокна, меньшее содержание стекла (проводники находятся вдали от стекловолокон), более толстые подложки и т.д. 

Улучшение характеристик антенны также связано с электрическими характеристиками материала, такого как печатная плата RO4830, которая имеет более низкую диэлектрическую проницаемость и меньшее значение тангенса угла потерь. Таким образом, при применении радара миллиметрового диапазона с меньшей длиной волны производительность и согласованность антенны, обработанной печатной платой Rogers RO4830, лучше, чем антенны, обработанной печатной платой RO4835.