PCB-Technologie - Einfluss der Leiterplattenstruktur auf die Leistung des Millimeterwellenradars

Die dielektrische Schicht des gemeinsamen Verbundes Leiterplatte (PCB) mostly uses glass fiber as filling material, aber aufgrund der speziellen gewebten Struktur der Glasfaser, the local dielectric constant (Dk) of PCB board will change. Especially at millimeter wave (mmWave) frequencies, Die Glasflechtwirkung dünnerer Laminate wird offensichtlicher sein, und die lokale Inhomogenität von Dk wird zu signifikanten Veränderungen in HF-Schaltungen und Antennenleistung führen. The influence of PCB structure on transmission line performance was studied by 100μm thick glass woven polytetrafluoron (PTFE) laminate. Die dielektrische Konstante der Leiterplatte schwankt zwischen 0.01 und 0.22 entsprechend unterschiedlicher Glasgewebstruktur. Um den Einfluss verschiedener Glasflechtstrukturen auf die Antennenleistung zu untersuchen, Auf Rogers kommerziellen Laminaten RO4835 und RO4830 wurde eine serielle Microstrip Patch Array Antenne hergestellt., jeweils, Die elektrischen Eigenschaften der Antenne, die mit RO4830 Laminat nach Normaltoleranz bearbeitet wird, entsprechen besser den berechneten Werten., with smaller changes and better reflection coefficients (S11 & LT; -- 10dB) and view-axis gain performance.

Autonomes Fahrzeug ist ein aktueller Forschungs-Hotspot. Es kann Fahrern und Fußgängern helfen, potenziell tödliche Unfälle zu vermeiden und erfordert eine hohe Zuverlässigkeit. Daher erfordert es auch eine hohe Zuverlässigkeit seiner Schaltung. Millimeterwellenradar (mmWave) bietet aufgrund seiner kompakten Bauweise und hohen Umgebungsempfindlichkeit eine zuverlässige Lösung für die Zielerfassung im automatischen Fahren. In kommerziellen Millimeterwellenradarsystemen mit 76- bis 81GHz-Frequenzen ist die serielle Microstrip-Patchantenne für ihre einfache Konstruktion, kompakte Struktur und die Fähigkeit, in großen Mengen und zu niedrigen Kosten herzustellen, berühmt [1]. Je höher die Frequenz, desto kleiner die Wellenlänge, so dass Übertragungsleitungen und Antennen, die mit Millimeterwellenfrequenzen arbeiten, kleiner sind als diejenigen, die mit niedrigen Frequenzen arbeiten. Um die ideale Leistung des Bordradars sicherzustellen, ist es notwendig, den Einfluss der Leiterplatte auf die Übertragungsleitung und die Microstrip-Patchantenne zu untersuchen. Für den Millimeterwellen-Frequenzkreis, der lange Zeit in Außenumgebungen arbeitet (beeinflusst durch Temperatur und Feuchtigkeit) [2], ist die Konsistenz des Materialleistungsindex die primäre Überlegung bei der Auswahl von Leiterplattenlaminat. Kupferfolie, glasfaserverstärkte Materialien, keramische Füllstoffe und andere Materialien, die das Laminat bilden, haben jedoch einen großen Einfluss auf die Konsistenz des Index bei hoher Frequenz.

Diese Arbeit untersucht hauptsächlich den Einfluss der Leiterplattenstruktur auf die MMW Radarleistung. Die dielektrische Schicht der meisten PCB-Laminate wird normalerweise gebildet, indem ein Glasfasergewebe mit einem Polymerharz beschichtet wird. Bei Millimeterwellenfrequenz ist der Effekt von Glasfasergewebe auf die Konsistenz der Materialeigenschaften sehr offensichtlich, da die Breite des Glasbündels der Breite der Übertragungsleitung entspricht. Wenn dünne (z. B. 100μm) Leiterplattenlaminate zum Design von Mikrostreifenantennen verwendet werden, kann Glasflechtgewebe erhebliche Änderungen der Antennenleistung verursachen und die bearbeitete Ausbeute verringern.

Zusammensetzung des Laminats

Laminate werden normalerweise hergestellt, indem Glasfasergewebe mit Polymerharz kombiniert wird, um eine dielektrische Schicht zu bilden, die dann auf beiden Seiten mit Kupferfolie bedeckt wird. Die typische Permittivität (Dk) von Glasgewebe ist hoch, etwa 6.1, während die von Polymerharz mit geringem Verlust zwischen 2.1 und 3.0 liegt, so dass die Dk innerhalb eines kleinen Bereichs variiert. Abbildung 1 zeigt eine mikroskopische Draufsicht und Querschnittsansicht von Glasfasern in einem Laminat. Die Schaltung über dem "Knuckle-Bundle" hat aufgrund ihres hohen Glasfasergehalts einen hohen Dk, während die Schaltung über dem "Bundle-Open" aufgrund ihres hohen Harzgehalts einen niedrigen Dk aufweist. Darüber hinaus werden die Eigenschaften des Glasgewebes durch die Dicke des Glasgewebes, den Abstand zwischen den Geweben, die Art und Weise, wie das Gewebe abgeflacht wird und den Glasgehalt jeder Achse beeinflusst.

Das Laminat hat eine dielektrische Konstante von 3.48 und Verlustwinkeltangente von 0.0037 bei 10GHz (basierend auf IPC TM-650 2.5.5.5.5 Standardtest). Darüber hinaus ist die dielektrische Konstante von RO4830 Laminaten 3.24 und die Verlustwinkeltangente 0.0033 (basierend auf ipCTN-650 2.5.5.5.5 Standardtest). RO4835 Laminate werden aus dem Typ 1080 Standard gewebten unausgewogenen Glasgewebe hergestellt und mit keramischen Füllstoffen verstärkt. Im Gegensatz dazu sind RO4830 Laminate mit flachen offenen Glasfasern vom Typ 1035 verstärkt, die mit kleineren Partikeln gefüllt sind. Tabelle 3 vergleicht weiter die Eigenschaften von Laminaten auf Basis von RO4835 und RO4830.

Ausgewählt werden die Antennen, die nach der Verarbeitung der Designgröße entsprechen und deren Antennenübertragungsleitung mit der "Knuckle Beam Junction Zone" und der "Beam Opening Zone" aus RO4835 Laminat ausgerichtet ist, wie in Fig. 5 (a) und (b) gezeigt. Da das Laminat RO4830 die glasgeflochtene Struktur der flachen offenen Faser annimmt, ist es unnötig zu überlegen, ob der Leiter mit dem Glasgewebe im Laminat RO4830 ausgerichtet ist, wie in Fig. 5 (c) gezeigt. Dabei wurden der Reflexionskoeffizient (S11) und der optische Achsgewinn der bearbeiteten Antenne gemessen.

Fig. 5 Antenne ausgerichtet auf "Knuckle Beam Junction Zone" und "Beam Opening Zone" auf RO4835 Laminat und Antennenprobe auf RO4830 Laminat

Der Einfachheit halber stammen die in dieser Arbeit vorgestellten Ergebnisse aus dem Durchschnitt der Testdaten mehrerer zu prüfender Antennen und die Messergebnisse werden mit den Simulationsergebnissen verglichen. Fig. 6 zeigt die Antennentestsergebnisse (fünf Proben) auf dem Laminat RO4835. Der Reflexionskoeffizient (S11) und die axiale Verstärkung des "Knöchelstrahlquerbereichs" und des "Strahlöffnungsbereichs" werden signifikant verändert. Die Leistung der Antenne am RO4835 hängt von der Ausrichtung des Drahtes mit der "Knuckle Junction Zone" und der "Beam Opening Zone" ab. Darüber hinaus variiert auch der Antennengewinn

s mit Frequenz, was anzeigt, dass sich auch die dielektrische Konstante ändert. Darüber hinaus deutet eine Verschiebung hin zu höheren Frequenzen auf eine geringere Permittivität hin.

Vergleich zwischen Messergebnissen und Simulationsergebnissen der Antennenproben "Knuckle Beam Junction Zone (KB)" und "Beam Opening Zone (BO)" von RO4835 Laminaten

Durch den Vergleich der Antennenleistung auf dem Laminat RO4830 in Abbildung 7 ist die im Test erhaltene Antennenleistung sehr konsistent und konsistenter mit dem Simulationswert des Laminats RO4830. Die Konsistenz zwischen den Messergebnissen und den Simulationsergebnissen zeigt, dass sich die Dielektrizitätskonstante der Laminate ändert. Im Gegensatz dazu ändert sich die scheinbare Achsvergrößerung im Standard-geflochtenen RO4835-Laminat um 4 dB und nur um 2 dB im flach offen geflochtenen RO4830-Laminat. Durch solche einfachen Experimente kann eine konsistentere Antennenleistung wie Reflektivität und axiale Verstärkung erreicht werden, indem ein Rogers RO4830 Laminat mit einem flachen offenen Glasfasergeflecht verwendet wird.

Vergleich von Messergebnissen und Simulationsergebnissen von Antennenproben auf RO4830 Laminat

Schlussfolgerung

Die Struktur von Laminaten kann Übertragungsleitungen und Antennenleistung beeinflussen. Die Konstruktion von Glasgewebe ändert auch die dielektrische Konstante des Laminats, was die Produktleistung verringert und die Ausbeute des Produkts beeinflusst. Verglichen mit RO4835 Laminat hat die Antenne, die mit RO4830 Laminat verarbeitet wird, eine bessere Konsistenz der Leistung. Die Verbesserung der Antennenleistung und der Verarbeitungsausbeute wird hauptsächlich der Struktur des Laminatmaterials zugeschrieben, d.h. Glasweben von flachen offenen Fasern, weniger Glasinhalt (Leiter weg von Glasfaser), dickeres Substrat usw. Die Verbesserung der Antennenleistung hängt auch mit den elektrischen Eigenschaften des Materials zusammen, wie Laminat RO4830, Das hat eine niedrigere Dielektrizitätskonstante und einen niedrigeren Verlustwinkeltangenzwert. Daher ist bei der Anwendung von Millimeterwellenfrequenzradar mit kleiner Wellenlänge die Leistung und Konsistenz der Antenne, die mit Rogers RO4830 Laminat verarbeitet wird, besser als die, die mit RO4835 Laminat verarbeitet wird.