毫米波電路相位精度受什么影響？

 行業新聞     |      2022-05-27 17:48:06    |      愛彼電路

從自動駕駛車輛上使用的防碰雷達系統到第五代高數據速率新無線網絡技術，毫米波電路的應用領域正在快速增長。許多應用正在促進工作頻段往更高的頻率變化（如>24GHz）。與低頻電路相比，高頻射頻/微波電路易受電路材料和加工工藝的影響。雖然電源線和數字控制等電路功能可以用低成本FR-4電路材料，但是射頻、微波和毫米波電路需要性能更好的電路材料，以盡量減少信號損耗和畸變。許多具有很多不同電氣功能的多層混合信號PCB通常由不同類型的電路材料混合壓制而成，應選擇最適合的材料用于該層電路功能。

高頻PCB通常基于三種常見電路傳輸線技術，微帶線電路、帶狀線電路或接地共面波導（GCPW）電路。基于單端傳輸線描繪了每種電路的電場（E）和電流密度，可以看到每種電路類型的結構各不相同，其中電場為導體與地層的耦合區域。對于差分電路，使用的兩根導線其間也存在耦合。例如，對于一個差分微帶線電路，電場將在頂層的信號導體之間和頂層到地層的導體之間相互耦合。尤其是在較高頻率下，使用這些傳輸線的高頻電路極易受電路材料參數和PCB加工的影響。

這三類高頻傳輸線的性能均由介質材料決定。在帶狀線電路中，導體被介質材料環繞，在微帶線電路和GCPW電路中，電場延伸到介質材料以外，包含電路周圍的空氣構成的電路的整個電磁環境，因此這兩種電路中的波的傳播的介電常數（Dk）綜合了基板材料的Dk和空氣的Dk（大約為1）。這種情況下的介電常數就是所謂的有效Dk。

電路中可用信號功率往往會隨著頻率增加而降低，因此需要密切注意而盡量減少高頻電路中的信號損耗。保持阻抗匹配是降低高頻電路或系統中的互連元件損耗的關鍵，信號發生器和負載之間的傳輸線。由于信號能量會轉化成熱量，所以即使發生器和負載阻抗匹配，無源元件也會由于自身介質和導體損耗而出現一定量的插入損耗。但是，當阻抗不匹配時，傳輸連接處的信號反射再會引起回波損耗，從而傳輸線的總損耗會進一步增大，從匹配時的標稱3dB增加到6dB。當必須保證接收端信號功率時，插入損耗和回波損耗必須最小化。將不同厚度電路中的插入損耗進行分解，對于基板介質材料較薄的電路，導體損耗占主要部分，此時信號與地平面的間隔不大，電場更為集中在導體下方的電路，對于基板介質較厚的電路，信號與地平面間隔較大，此時導體損耗占插入損耗比例較小，介質損耗占主要部分。

對高頻設計通常需要一個選擇薄的基板材料，且高頻下低插入損耗是一個關鍵指標。這種情況下，銅箔的類型也成為一個重要的考慮因素，越光滑的銅箔插入損耗越小。為降低導體損耗可以選擇較光滑的銅箔來降低導體。盡管如此，仍可以通過控制介質損耗來降低插入損耗。因此，選用一種損耗因子（Df）較低的材料仍可以降低電路的總插入損耗。例如材料的損耗因子Df為0.0037，如果使用Df為0.0010的材料時，介質損耗（和插入損耗）進一步降低。

在很多高頻電路中，相位是一個重要的電氣參數，尤其是在毫米波應用（例如汽車雷達和5G無線網絡）中，相位是許多先進調制方式的基本信息。電路需要保持一致的相位響應，從而使雷達和無線通信等系統能夠提供可靠信息。電路相位響應通常以相位角或相速度來表征，例如，理想正弦波的電路的一個周期或波長的相位角響應為360°。舉例說明了對于某一電路材料（Dk值為3.0），在7.6GHz條件下，以360°相位角響應或一個波長的物理長度下的微帶線電路為參考，不同的參數變化對于相位角的影響。

基于相位響應的毫米波電路，相位角或相位響應一致性是一個重要的性能參數。雖然1英寸長度的微帶線電路在7.6GHz條件下的相位角響應剛好一個周期（360°），但對于77GHz雷達，在Dk值為3.0的基板材料上加工的具有相同物理長度的微帶線電路卻有大于4,000°的相位角響應，相位角變化對于電路的微小變化異常敏感。而對于毫米波雷達傳感器的性能，即使小至±30°的相位角變化也可能造成雷達檢測錯誤（例如汽車防撞系統中的雷達檢測）。對于如在5G NR系統中使用的26GHz和28GHz頻率的頻率越低的毫米波電路，相位響應對于調制網絡準確性同樣重要。頻率越高、波長越小，電路受相位角變化的影響越大。

在毫米波頻率由于波長短，PCB的性能受很多變量的影響。首先需要考慮是信號從連接器饋入到PCB線路板上帶來的影響。在連接器信號饋入口處的阻抗異常，或阻抗變化可能造成信號反射、回波升高和畸變。高頻連接器與PCB的連接盡管距離較短，阻抗異常僅發生在2.54mm左右的距離上，但是該長度在毫米波頻率下可能與小數倍波長相接近，從而造成波形畸變。例如，40GHz下的波長為0.46mm與2.54mm就非常接近，2.54mm的變化就可能造成40GHz信號異常。在較低頻率下連接器帶來的阻抗異常影響較小，因為在低頻率的波長較長，該短距離上的影響較少。在某小數倍波長長度的阻抗異常可能影響毫米波電路性能，那么具體多少長度才算呢？通常半波長的阻抗異常通常會影響性能，四分之一波長異常也可能影響毫米波電路性能，但是與半波長相比影響會小一些較小。一般八分之一或更長波長的阻抗異常將影響波特性，反過來講，保持在十分之一或更短波長距離，可以盡量減少在毫米波頻率下的電路性能問題。

在毫米波頻率下，保證基板厚度和導體寬度等電路特性小于相應頻率下的十分之一波長能夠避免產生性能異常，避免不必要諧振。例如，在工作頻率下、具有二分之一波長厚度的電路基板上制作的毫米波電路會在信號層和地層之間產生諧振條件。工作頻率下二分之一波長的導線寬度也將在電路導體寬度上產生諧振條件。將基板厚度和導體寬度保持在工作頻率下十分之一或更短波長，可以避免發生不必要的諧振條件。愛彼電路是專業高精密PCB電路板研發生產廠家,可批量生產4-46層電路板,線路板,高頻線路板,高速電路板,混壓電路板,HDI線路板等,定位高精密!高難度!高標準!