Tecnologia RF - Fattore di permittività e perdita del foglio RO4350B a 24GHz

La costante dielettrica di RO4350B è relativamente stabile. Il valore standard è 3,48 a 10GHz. La costante dielettrica diminuirà man mano che la frequenza aumenta. A 24GHz, la costante dielettrica diminuisce di 0,01 rispetto alla frequenza 10GHz, che è 3,47.

Generalmente, le piastre PCB ad alta frequenza sono selezionate dai seguenti aspetti: costante dielettrica bassa, fattore di perdita basso, stabilità della frequenza e della temperatura e costo (costo del materiale, costo di progettazione-test-produzione). RO4350B è un materiale a bassa perdita per resine idrocarburiche e materiali di riempimento ceramici laminati e prepreg, con eccellenti prestazioni ad alta frequenza (generalmente applicabili sotto i 30GHz). Poiché RO4350B utilizza la tecnologia standard di lavorazione resina epossidica / vetro (FR-4) per la lavorazione, ha anche bassi costi di lavorazione di linea. Si può dire che RO4350B ha raggiunto l'ottimizzazione dei costi e delle prestazioni ad alta frequenza ed è il foglio ad alta frequenza a bassa perdita più conveniente. Al fine di realizzare meglio i requisiti progettuali, l'autore ha studiato la perdita di inserimento della linea di trasmissione microstrip basata su foglio RO4350B a 24GHz durante la progettazione dell'antenna array microstrip.

Analisi della perdita di inserimento della linea microstrip

La perdita di inserzione della linea di microstrip comprende principalmente la perdita del conduttore, la perdita dielettrica, la perdita di onda superficiale e la perdita di radiazione, di cui la perdita del conduttore e la perdita dielettrica sono le principali. L'effetto pelle fa sì che la corrente ad alta frequenza sulla linea del microtrip si concentri sullo strato sottile in cui la banda di conduzione e la piastra di messa a terra sono in contatto diretto con il substrato dielettrico e la resistenza AC equivalente è molto maggiore del caso a bassa frequenza. Quando si lavora sotto 10GHz, la perdita del conduttore della linea microstrip è molto più grande della perdita dielettrica. Quando la frequenza di lavoro sale a 24GHz, la perdita dielettrica supera la perdita del conduttore.

La figura 1 mostra la perdita di inserzione di linee microstrip di lunghezze diverse calcolata da HFSS. I substrati dielettrici sono tutti RO4350B con uno spessore di 20 mil. Si può vedere dalla figura che la perdita di inserzione della linea microstrip è di circa 17dB/m, e la perdita di metallo, perdita dielettrica e altre perdite sono rispettivamente 4.47dB/m, 11.27dB/m, 1.26dB/m. A titolo di confronto, la Tabella 1 mostra la perdita di inserzione della linea microstrip calcolata per MWI2016. Si può vedere che il valore calcolato di MWI è 24,4 dB nelle stesse condizioni. Il valore di perdita dielettrica è vicino, ma il valore di perdita del conduttore è 7dB diverso. La ragione della differenza è che la rugosità superficiale della banda di conduzione e della piastra di terra non è considerata nel modello HFSS. I risultati del calcolo HFSS della perdita di inserimento della linea microstrip sono i seguenti:

Misure per ridurre la perdita di inserimento della linea microstrip

1) Scegliere lo spessore del bordo ragionevolmente e utilizzare olio verde con cautela

Come si può vedere dalla Tabella 1, la perdita del conduttore della linea microstrip con la stessa impedenza caratteristica diminuisce con l'aumento dello spessore dielettrico, mentre la perdita dielettrica è sostanzialmente invariata. Il motivo è che più spesso è il substrato dielettrico, più stretta è la larghezza della linea microstrip, più corrente ad alta frequenza concentrata e maggiore è la perdita del conduttore. Vale la pena notare che il mezzo olio verde ha una grande perdita di angolo tangente a 24 GHz, che aumenterà la perdita di inserzione della linea microstrip. Pertanto, quando si progetta un'antenna microtrip 24GHz, è necessario aprire la finestra con maschera di saldatura nell'area dell'antenna. I risultati del calcolo MWI2016 della perdita di inserzione della linea microstrip sono i seguenti:

2) Foglio di rame LoPro preferito

La rugosità superficiale della striscia conduttiva e della lamina di rame della piastra di massa è anche un fattore importante che influisce sulla perdita di inserzione della linea microstrip. Più liscia è la superficie del foglio di rame, minore è la perdita del conduttore. RO4350B fornisce due tipi di rivestimento in rame: foglio di rame elettrolitico (ED) e foglio di rame trattato a bassa rugosità (LoPro). La rugosità superficiale della lamina di rame ED è di circa 3um e la lamina di rame LoPro può raggiungere 0.4um, quindi può ridurre efficacemente la perdita del conduttore. La figura 2 mostra il confronto della perdita di inserimento della linea microstrip di questi due tipi di fogli di rame. Lo spessore del substrato dielettrico è di 0,1 mm. Si può vedere dalla figura che la perdita di inserzione della linea di microstrip della lamina di rame LoPro a 24GHz è del 40% più piccola di quella della lamina di rame ED. Il confronto tra la perdita di inserimento del rame elettrolitico e del rame invertito è il seguente:

3) Ragionevole

Selezionare il processo di trattamento superficiale

Il processo di trattamento superficiale è anche uno dei fattori che influenzano la perdita del conduttore. Ci sono quattro processi di trattamento superficiale comuni, che sono divisi in argento ad immersione, oro ad immersione (oro non nichel), oro nichel (nichel 3-5um, oro 2.54-7.62um) e stagno ad immersione. La tabella 2 mostra i parametri elettrici di questi metalli. Il nichel è un materiale ferromagnetico con una permittività magnetica di 600. Secondo la formula di calcolo della profondità della pelle, la profondità della pelle del nichel è un ordine di grandezza inferiore a quella di altri metalli, quindi la resistenza superficiale del nichel è decine di volte più grande di quella di altri metalli, con conseguente perdita del conduttore del processo nichel-oro molto più grande di altri processi. La figura 3 confronta la perdita di inserzione del rame nudo, l'argento ad immersione e i processi di trattamento superficiale nichel-oro, e lo spessore del substrato è tutti 20 mil. Si può vedere dalla figura che la perdita di inserzione del processo di immersione dell'argento è simile a quella del rame nudo, ma la perdita di inserzione della linea microstrip dopo il trattamento superficiale nichel-oro è 4 dB/m (10GHz) più grande. È prevedibile che questa differenza sarà ancora maggiore a 24GHz. Grande. La conducibilità elettrica, la permittività magnetica e la profondità della pelle di diversi metalli sono confrontati con la perdita di inserimento del processo nichel-oro e rame nudo come mostrato nella figura:

In sintesi, quando utilizziamo substrati dielettrici PCB RO4350B per progettare antenne microstrip 24GHz o circuiti microstrip, dobbiamo considerare lo spessore della scheda dielettrica, il tipo di rivestimento in rame e il processo di trattamento superficiale in base alle prestazioni e ai requisiti di costo. La conclusione è applicabile anche alla maggior parte delle schede Rogers RO4000 e RO3000 serie.