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RO4350B板材在24GHz时介电常数和损耗因子是多少?

2019-06-12 PCB小莫

RO4350B的介电常数稳定性比较高,标准值采用10GHz频率下测试值为3.48,随频率升高介电常数会下降,24GHz频率下介电常数相比10GHz频率下降0.01,为3.47。

一般从以下几方面选择高频PCB板材:低介电常数,低损耗因子,频率和温度稳定性,以及成本(物料成本,设计-测试-制造成本)。ROGERS公司生产的RO4350B为碳氢树脂及陶瓷填料层压板和半固化片的低损耗材料,具有出色的高频性能(一般可以应用于30GHz以下)。由于RO4350B采用标准的环氧树脂/ 玻璃(FR-4)加工工艺进行加工,因此还具有低廉的线路加工成本。可以说,RO4350B达到了成本和高频性能的最优化,是最具性价比的低损耗高频板材。为了更好的实现设计要求,笔者在设计微带阵列天线时研究了基于RO4350B板材的微带传输线在24GHz的插入损耗。

微带线插损分析
微带线插损主要包括导体损耗、介质损耗、表面波损耗和辐射损耗,其中以导体损耗和介质损耗为主。趋肤效应使得微带线上的高频电流集中于导带和接地板与介质基板直接接触的薄层上,等效交流电阻要远大于低频情况。当工作在10GHz以下时,微带线的导体损耗比介质损耗要大得多,当工作频率上升到24GHz,介质损耗超过导体损耗。

图1为HFSS计算的不同长度微带线插损情况,介质基板均是厚度为20mil的RO4350B。从图中可以看出,微带线的插损约为17dB/m,其中金属损耗、介质损耗和其它损耗分别为4.47dB/m、11.27dB/m、1.26dB/m。作为对比,表1为MWI2016计算的微带线插入损耗情况,从中可以看出相同条件下MWI计算值为24.4dB,其中介质损耗值接近,但是导体损耗值差了7dB。差异原因是HFSS模型中没有考虑导带和接地板的表面粗糙度。微带线插入损耗的HFSS计算结果如下图:

减小微带线插损措施
1)合理选择板厚、慎用绿油
由表1可以看出,相同特性阻抗的微带线,其导体损耗随着介质厚度的增加而减小,而介质损耗基本不变。原因是介质基板越厚,微带线宽越窄,高频电流更加集中,从而导体损耗越大。值得注意的是,绿油介质在24GHz的损耗正切角较大,会使微带线插损增加。因此在设计24GHz微带天线时,需要对天线区域进行阻焊开窗。微带线插入损耗的MWI2016计算结果如下图:

2)优选LoPro铜箔
导带和接地板铜箔表面粗糙度也是影响微带线的插损的重要因素。铜箔表面越光滑,导体损耗越小。RO4350B提供了可电解铜箔(ED)和低粗糙度反转处理铜箔(LoPro)两种覆铜类型,其中ED铜箔的表面粗糙度在3um左右,LoPro铜箔可以达到0.4um,因此能有效减少导体损耗。图2显示了这两种铜箔的微带线插损对比,介质基板厚度均为0.1mm。从图中可以看出,24GHz时LoPro铜箔微带线的插损比ED铜箔小40%。电解铜和反转铜的插损比较如下图:

3)合理选择表面处理工艺
表面处理工艺也是影响导体损耗的因素之一。常见的表面处理工艺有四种,分为沉银、沉金(无镍金)、 镍金(镍3-5um,金2.54-7.62um)和沉锡。表2给出了这几种金属的电参数,其中镍属于铁磁性材料,其磁介电常数为600。根据趋肤深度计算公式,镍的趋肤深度要比其他金属小一个量级,因此镍的表面电阻要比其他金属大几十倍,导致镍金工艺的导体损耗要远大于其他工艺。图3是对比了裸铜、沉银和镍金表面处理工艺的插损,基板厚度均为20mil。从图中可以看出,沉银工艺和裸铜的插损差不多,但镍金表面处理后的微带线插损要大4dB/m(10GHz),可以预见,这个差值在24GHz时会更大。不同金属的电导率,磁介电常数和趋肤深度和镍金工艺和裸铜的插损比较如图:

综上,我们在利用RO4350B介质基板设计24GHz微带天线或者微带电路时,需要根据性能和成本要求综合考虑介质板厚度、覆铜类型以及表面处理工艺。结论同样适用于Rogers RO4000和RO3000系列的大部分板材。

 

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