PCB-Technologie - GCPW-Schaltung angewendet auf Millimeterwellenfrequenz

GCPW-Schaltung angewendet auf Millimeterwellenfrequenz

Mit der rasanten Entwicklung der modernen Kommunikationstechnologie, Frequenzressourcen in Niederfrequenz- und Mikrowellenfrequenzbändern werden zunehmend erschöpft, and more and more wireless applications are expanding to higher millimeter wave (mmWave) frequencies. Zum Beispiel, applications such as fifth-generation (5G) wireless cellular mobile communications and advanced driver assistance systems (ADAS) all use frequency bands above 24 GHz. Allerdings, Die Leistung eines Signals nimmt normalerweise mit zunehmender Frequenz ab. Daher, Millimeterwellen-Schaltungstechnik muss die vorhandene Signalleistung voll ausnutzen und gleichzeitig den Signalverlust minimieren. Die Aufrechterhaltung der Signalleistung in Millimeterwellenschaltungen hängt nicht nur von der gedruckten Leiterplatte(PCB) Material, aber auch bei der Wahl der Übertragungsleitungstechnik. Wenn die Einflussfaktoren im Schaltungsdesign und Herstellungsprozess vollständig berücksichtigt werden, then the grounded coplanar waveguide (GCPW) transmission line at millimeter wave frequency and the use of low-loss PCB Materialien können ausgezeichnete Schaltungsleistung erzielen.

Verglichen mit anderen Hochfrequenz-Übertragungsleitungstechnologien (wie: Streifenleitung, Mikrostreifenleitung) hat GCPW-Schaltungstechnologie natürliche Vorteile, insbesondere bei Millimeterwellenfrequenzen. Die Struktur von GCPW ist einfach und klar: die obere Übertragungsleitung nimmt eine "Boden-Signal-Masse (GSG)" Struktur an, die mittlere Schicht ist eine einschichtige dielektrische Schicht, die untere Schicht ist eine Bodenschicht, und die oberen und unteren Bodenschichten sind durch plattierte durch Löcher (PTH) miteinander verbunden. Obwohl GCPW nicht der einfachen Struktur einer Mikrostreifenlinie entspricht, GCPW ist viel einfacher als eine Stripline (mit einer dielektrischen Schicht oben und unten). Verglichen mit GCPW, obwohl die Struktur der Mikrostreifenlinie einfach ist, erhöht sie den Verlust an der Millimeterwellenfrequenz. Bei Millimeterwellenfrequenzen sind Mikrostreifen-Übertragungsleitungen einfacher, Energie nach außen zu strahlen als GCPW-Schaltungen, insbesondere in eng angelegten Schaltungen und Gehäusen, gibt es potenzielle Störungen und Probleme der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV).

Die endgültige Leistungsanwendung von GCPW muss jedoch auch die Auswirkungen der Schaltung auf die eigentliche Verarbeitung verstehen, denn bei der Verwendung verschiedener computergestützter (CAE) Software zur Simulation der GCPW-Schaltung sind die Parametereinstellungen der Materialeigenschaften nahezu ideal. Daher können diese Faktoren einen gewissen Unterschied zwischen den Simulationsergebnissen der Software und den tatsächlichen Messergebnissen der tatsächlich verarbeiteten GCPW-Schaltung verursachen, insbesondere für die Auslegung von großvolumigen Millimeterwellenschaltungen.

Noch bevor die Schaltung verarbeitet wird, beeinflussen kleine Änderungen im LeiterplattenMaterial die Leistung des GCPW-Schaltkreises, insbesondere bei der kleinen Wellenlänge der Millimeterwellenfrequenz, und die Wellenlänge ist sehr empfindlich auf diese Veränderungen. Zum Beispiel führen Änderungen in der Dicke des dielektrischen Materials und der Dicke des Leiters zu Änderungen in der Leistung des GCPW bei Millimeterwellenfrequenzen. Die Oberflächenrauheit im Kupferleiter beeinflusst auch die GCPW-Leistung, und jede andere Beschichtungsschicht (wie die PTH-Beschichtungsschicht, die zur Herstellung der GCPW-Schaltung verwendet wird) beeinflusst auch die GCPW-Leistung.

Prozessbehandlung

Obwohl die GCPW-Übertragungsleitungstechnologie für die Herstellung von Leiterplattenschaltungen mit hoher Konsistenz bei Millimeterwellenfrequenzen sehr geeignet ist, muss sie dennoch in Verbindung mit hochzuverlässigen Leiterplattenmaterialien (wie dielektrische Konstante Dk, Verlustfaktor Df) verwendet werden. Darüber hinaus muss die Verarbeitungstechnologie des Millimeterwellenschalts reproduzierbar sein, um sicherzustellen, dass die Schaltung eine gute Konsistenz in der Massenproduktion beibehalten kann. Änderungen in der Verarbeitungstechnologie können Änderungen in der Leiterplattenleistung verursachen. Zum Beispiel kann die Position der PTH, die verwendet wird, um die beiden Erdungsebenen in der GCPW-Schaltung zu verbinden, von Schaltung zu Schaltung variieren, und dieser kleine Unterschied wird auch eine Ursache für Leistungsänderungen werden.

Die Form des GCPW-Leiters kann von Schaltung zu Schaltung variieren, was zu Leistungsunterschieden zwischen hergestellten GCPW-Schaltungen führt. Bei der Modellierung von Kupferfolienleitern nimmt die CAE-Simulationssoftware sie in der Regel als ideale Leiterform an (rechteckig aus Querschnittsansicht). Und verwenden Sie dies als Grundlage, um das Leistungsniveau einer bestimmten Schaltung vorherzusagen. Bei der eigentlichen Verarbeitung werden die meisten Oberflächenleiter von GCPW-Schaltungen jedoch in eine trapezförmige Form verarbeitet, und die Leiter verschiedener Schaltungen haben einen gewissen Grad an Veränderung. Änderungen in diesen Leitern verursachen Änderungen in der elektrischen Leistung des GCPW-Schaltkreises, insbesondere die Auswirkungen auf die Einfügedämpfung und den Signalphasenwinkel, und die Auswirkungen solcher Änderungen werden mit der Zunahme der Frequenz zunehmen.

Aufgrund der Differenz zwischen dem eigentlichen Leiter und dem idealen Leiter gibt es einen Unterschied zwischen dem Leistungsniveau der tatsächlichen Schaltung (der Leiter ist nach der Verarbeitung trapezförmig) und der idealen Schaltung (rechteckig). Da die entsprechende Signalwellenlänge bei Millimeterwellenfrequenzen kleiner wird, ist sie extrem empfindlich gegenüber Schaltungen. Der ideale Schaltleiter spiegelt die kleinsten Änderungen der effektiven dielektrischen Konstante und des relativen Phasenansprechens der Schaltung wider, während der Standard-Leiterplattenherstellungsprozess unweigerlich geringe Änderungen aufweist. Fehler, die auch Leistungsänderungen zwischen Schaltungen verursachen können.

Darüber hinaus hat die GCPW-Schaltung eine unterschiedliche Menge an Kopplung entsprechend der Dichte des Seitenwandabstandes in der GSG-Struktur. Im Allgemeinen erzeugen Leiter, die näher beieinander liegen, eine engere Kupplung. Im Vergleich zu lose gekoppelten GCPW-Übertragungsleitungen haben dicht gekoppelte GCPW-Schaltungen eine höhere Stromdichte an den Seitenwänden von koplanaren Leitern. Locker gekoppelte GCPW-Schaltungen sind weniger empfindlich auf Änderungen des Schaltungsprozesses, da sie keine zusätzliche Masse erhalten können und sich sehr ähnlich verhalten wie Mikrostreifen-Übertragungsleitungen.

Jede Leiterplatte material used to manufacture millimeter wave GCPW circuits Platte, such as RO3003™ laminate of Rogers Corporation (Dk of z-axis is 3.00±0.04, Df bei 10 GHz ist 0.0010), and its copper foil surface (copper foil and dielectric The roughness of the layer intersection) will affect the Leistung of circuits made on this material, especially in higher frequencies (such as millimeter wave frequencies) and thinner circuits. Die raue Kupferfolienoberfläche erhöht den Einfügeverlust dieser Schaltkreise und verlangsamt die Signalphasengeschwindigkeit. Die Leitereinführungsverluste wird auch durch die relative Breite des Kupferfolienleiters und die Dicke des Leiters beeinflusst. Ein breiterer Leiter zeigt weniger Verlust, and a thicker conductor will cause the GCPW transmission line to use more air (with a lower unit Dk value) and transmit with lower loss. Natürlich, Schaltungsmaterialien mit einem höheren Dk-Wert führen auch zu einer langsameren Phasengeschwindigkeit.

Metallbeschichtung

Die Herstellung jeder Art von GCPW-Schaltung beinhaltet die Galvanisierung der PCB material. Zum Beispiel: when doing via metallization, einige Löcher werden in die Leiterplatte material, und die Lochwand wird elektro seinPlatted mit einer Kupferschicht, um die Leitung zwischen den oberen und unteren Bodenschichten zu realisieren. In diesem Prozess, die obere und untere Schicht sind miteinander verbunden. Die Kupferschicht der PCB wird zwangsläufig Platted mit einer Kupferschicht wieder. Darüber hinaus, Die Metallbeschichtung kann erneut auf dem GCPW-Schaltkreis durchgeführt werden, um die abschließende Oberflächenbeschichtung zu bilden und den Kupferleiter zu schützen. Die Leitfähigkeit des Metalls, das für die Galvanisierung der Oberflächenbehandlung verwendet wird, ist normalerweise niedriger als die von Kupfer, was den Leiterverlust erhöht und zu einer Erhöhung der Einfügedämpfung führt; außerdem, Die Oberfläche dieser Beschichtung beeinflusst auch die Phasenantwort, also ist dieser Effekt bei Millimeterwellenfrequenzen notwendig. Berücksichtigt.

Zwischen den Ergebnissen der Computersoftware-Simulation und den Messergebnissen des tatsächlich verarbeiteten Millimeterwellen-GCPW-Schaltkreises besteht zwangsläufig ein Unterschied. Einer der Schlüssel zur erfolgreichen Massenproduktion von Millimeterwellen-GCPW-Schaltungen ist die Minimierung verschiedener Fehleränderungen durch spezifische Materialeigenschaften und spezifische Schaltungseigenschaften. Durch das Verständnis, wie ausgereifte Leiterplattenmaterialien (wie RO3003-Laminat) durch verschiedene GCPW-Herstellungsprozesse beeinflusst werden, ist es möglich, aussagekräftige Produktionsleistungstoleranzen zu etablieren. Somit kann auch bei einem Millimeterwelligen ADAS-Schaltkreis von 77 GHz eine hohe Ausbeute erzielt werden.