PCB结构对毫米波雷达性能的影响

常见的复合材料印制电路板（PCB）其介质层大多采用玻璃纤维作为填充料，但是由于玻璃纤维特殊的编织结构，导致PCB板局部的介电常数（Dk）会发生变化。尤其是在毫米波（mmWave）频率下，较薄层压板的玻璃编织效应会更加明显，Dk的局部不均匀会导致射频（RF）电路和天线性能发生明显的变化。采用100μm厚的玻璃编织聚四氟乙烯（PTFE）层压板，研究其PCB结构对传输线性能的影响，根据不同玻璃编织结构的类型，实验发现PCB板的介电常数波动范围在0.01和0.22之间。为了研究不同玻璃编织结构对天线性能的影响，在罗杰斯的商用层压板RO4835和RO4830热固性层压板上分别制作了一个串联馈电微带贴片阵列天线，并对其进行研究，实验结果显示：采用RO4830层压板按照正常公差加工的天线其电性能与计算值更加吻合，变化更小，并且具有较好的反射系数（S11 <–10dB）和视轴增益性能。

自动驾驶汽车是当前的研究热点，它可以帮助驾驶员和行人避免潜在的致命事故，要求具有高可靠性，因此也要求其组成电路必须具有高可靠性。毫米波（mmWave）雷达正是因为其具有结构紧凑、环境探测灵敏度高等诸多优点，为自动驾驶中的目标检测提供了可靠的解决方案。在76至81GHz频率下的商用毫米波雷达系统中，串联馈电的微带贴片天线因其易于设计、结构紧凑、能够大批量、低成本【1】制造而成为首选。频率越高波长越小，因此与低频相比，工作于毫米波频率下的传输线和天线尺寸会更小。为了确保车载雷达的理想性能，需要研究PCB对传输线和微带贴片天线的影响。对于长时间工作在室外环境下（受温度和湿度影响）的毫米波频率电路【2】，在选择PCB线路层压板时，首要考虑的是材料性能指标的一致性。但是，构成层压板的铜箔、玻璃纤维增强材料、陶瓷填料等材料在高频下都会对指标的一致性产生较大影响。

本文主要研究PCB结构对毫米波雷达性能的影响。大多数PCB层压板的介质层通常是通过在玻璃纤维布上涂布聚合树脂形成的。在毫米波频率下，玻璃纤维布对材料性能一致性的影响非常明显，这是因为玻璃束的宽度与传输线的宽度相当。此外，当采用较薄（例如，100μm）的PCB线路层压板来设计微带天线时，玻璃编织布会引起天线性能的显著变化并降低加工成品率。

PCB层压板的组成

PCB层压板通常是将玻璃纤维布与聚合树脂组合形成介质层，再在其两侧覆盖铜箔制成。玻璃布的典型介电常数（Dk）较高，约为6.1，而低损耗聚合物树脂的介电常数Dk在2.1-3.0之间，这样在较小的区域内Dk有一定的差异。图1显示了层压板中玻璃编织纤维的微观顶视图和横截面视图。“指节交束区（Knuckle-Bundle）”上方的电路由于玻璃纤维含量较大而具有较高的Dk，而“束开口区（Bundle-Open）”上的电路由于树脂含量较大而具有较低的Dk。此外，玻璃编织布的特性受到玻璃织物的厚度、织物之间的距离、织物的扁平化方式以及每个轴的玻璃含量等多个因素影响。

图1 玻璃纤维布层压板的微观顶视图和横截面图

在毫米波应用的薄层压板中，经常用到两种典型的薄玻璃布编织样式，分别是1080型和1078型，如图2所示。1080型标准编织采用了不平衡玻璃布，该型号的玻璃布其中一个轴的玻璃含量高于另一个轴。与1080型编织布相比，1078型开纤的玻璃编织具有更均匀的玻璃纤维平面，因此整个层压板上的Dk变化较小。与使用多层玻璃布层压板相比，单层玻璃布层压板的Dk值变化更为显著。另外，具有陶瓷填料的层压板材料可以减少因玻璃布编织方式不同而造成的Dk变化。

图2 1080型（开口不平衡编织）和1078型（开纤）玻璃布结构的微观视图

对传输线电路的影响

本次测试实验使用的是微带传输线电路，采用的1 mm端接连接器。连接器首先连接到50欧姆接地共面波导（GCPW），通过阻抗变换器将其转换为高阻抗微带传输线。如图3所示，微带传输线的长度为2英寸，确保了实验电路能够测试出玻璃编织结构所带来的影响。电路采用玻璃编织聚四氟乙烯（PTFE）的薄层压板加工，使用压延铜和单层玻璃布。为了比较不同的玻璃编织结构带来的影响，在三种不同的PCB层压板结构上制作了传输线电路，分别采用：1080型玻璃布的PTFE聚四氟乙烯、1078型玻璃布的PTFE聚四氟乙烯、1080型玻璃布的陶瓷填充非PTFE层压板。对加工后的电路进行仔细检查，分别筛选合适的传输线进行测试，测量电路的幅度和相角特性。通过相位角（展开后的相位值）、群延迟（基于随频率变化的相位角）、传播延迟（根据相位角计算）这三个参数来确定层压板的介电常数变化。

图3 采用GCPW信号馈入的微带传输线

表1显示了与“指节交束区”以及与“束开口区”对准的传输线电路的原始群延迟、传播延迟和相位差。可以看到，Dk值越高，电磁波的传播速度就越慢，这与群延迟、传播延迟和相位差增加相吻合。根据电路的群延迟、传播延迟和相位差，表2显示了计算后的介电常数变化。1078型开纤的编织层压板具有均匀的玻璃布分布，因此，与1080型标准编织层压板相比（Dk值变化为0.22），其Dk值变化较小，仅为0.03。如前所述，陶瓷填充层压板的Dk变化更小，只有0.02。

对天线性能的影响

串联馈电的微带贴片天线阵是最典型的用于毫米波汽车雷达的天线。为研究玻璃纤维效应对天线性能的影响，设计了一个1×4的串联馈电微带贴片天线，其工作频率范围为76-81Ghz[3]。如图4所示，该天线使用RO4835 和RO4830 两种不同的玻璃布层压板材料加工而成。该天线由接地的相邻元件制成，以研究其耦合效应。

图4 加工在RO4835和RO4830层压板上的串联馈电微带贴片阵列

RO4835层压板在10GHz下的介电常数为3.48，损耗角正切为0.0037（基于IPC TM-650 2.5.5.5标准测试）。另外，RO4830层压板的介电常数为3.24，损耗角正切为0.0033（基于IPCTM-650 2.5.5.5标准测试）。RO4835层压板分别采用1080型标准编织的不平衡玻璃布，以及经过陶瓷填充物加固的材料。相比，RO4830层压板采用1035型扁平开纤玻璃编织和陶瓷填充较小颗粒物进行增强。表3进一步比较了基于RO4835和RO4830层压板的特性。

挑选出加工后符合设计尺寸，并且天线传输线与RO4835层压板的“指节交束区”以及“束开口区”对准的天线，如图5（a）和（b）所示。由于RO4830层压板采用了扁平开纤的玻璃编织结构，因此在RO4830层压板中不用考虑导体是否与玻璃织物对齐了，如图5（c）所示。分别测量加工的天线的反射系数（S11）和视轴增益。

图5 RO4835层压板上与“指节交束区”以及“束开口区”对准的天线，以及RO4830层压板上的天线样品

为了简便起见，本文给出的结果均来自多个被测天线测试数据的平均值，并且将测量结果与仿真结果进行了比较。图6是RO4835层压板上的天线（五个样品）测试结果，在“指节交束区”以及“束开口区”的反射系数（S11）和视轴增益都发生了显著变化。RO4835上的天线性能取决于导线与“指节交束区”以及“束开口区”的对准情况。此外，天线增益随频率也发生了变化，表明介电常数也在变化。而且，向高频的方向的偏移表明介电常数较低。

图6 在RO4835层压板的“指节交束区（KB）” 以及“束开口区（BO）”天线样品的测量结果与仿真结果对比情况

对比如图7所示RO4830层压板上的天线性能，测试得到的天线性能是非常一致的，并且与RO4830层压板的仿真值更加匹配。测量结果与仿真的一致性表明，层压板的介电常数变化最小。两个结果对比，视轴增益在标准编织的RO4835层压板材料中变化了4 dB，而在扁平开纤编织的RO4830层压板中变化只有2 dB。通过这样的简单的实验可以得到，通过使用具有扁平开纤玻璃编织构造样式的罗杰斯 RO4830层压板，可以得到更加一致的反射系数和视轴增益等天线性能。

图7 RO4830层压板上天线样品的测量结果与仿真结果的对比情况

结论

PCB层压板的结构会影响传输线和天线性能。玻璃布的构造方式也会改变层压板上的介电常数，从而会降低产品性能并且影响产品的良品率。与RO4835层压板相比，用RO4830层压板加工的天线其指标性能一致性更好。天线性能和加工良品率的提高主要归因于层压材料的结构，即：扁平开纤的玻璃编织、较少的玻璃含量（导体远离玻璃纤维）、较厚的基材等。天线性能的提高同样也与该材料的电性能有关，就如RO4830层压板，具有较低的介电常数和较低的损耗角正切值。因此，在较小波长的毫米波频率雷达应用中，用罗杰斯RO4830层压板加工出来的天线性能和一致性优于用RO4835层压板加工出来的天线性能。

参考文献

1. R. Garg, P.Bhartia, I.Bahl, A. Ittipiboon, “MicrostripAntenna Design Handbook,” Artech House, 2001.

2. J. Coonrod, “Characterizing Circuit Materials at mmWaveFrequencies,” Microwave Journal, Vol 62. Edition 5, May 2019.

3. C. A. Balanis, “Antenna Theory: Analysis Design,”4th Edition, Chapter 17, Wiley, 2016.