具有各種良好特性的電路板材料，能夠因應(yīng)現(xiàn)代無線通訊系統(tǒng)的需求，為具有低失真的PCB天線奠定基礎(chǔ)...

 

盡管天線具有不同的形狀和尺寸，但印刷電路板(PCB)天線能夠在大幅縮減尺寸的情況下保持性能不發(fā)生變化。當(dāng)然，天線(包括基于PCB的天線)必須在設(shè)計(jì)和制造時(shí)確保具有最小的被動(dòng)交互調(diào)變(passive intermodulation；PIM)指標(biāo)，才能在當(dāng)今擁擠的訊號(hào)環(huán)境中發(fā)揮最佳效能。

 

對(duì)于PCB天線，盡管低PIM指標(biāo)主要與天線設(shè)計(jì)有關(guān)，但電路板材料對(duì)于PCB天線的整體PIM性能也有很大影響，所以也需要考慮如何選擇射頻(RF)/微波電路材料。

 

PIM是一種非線性的類二極體效應(yīng)，當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)訊號(hào)結(jié)合時(shí)(例如來自不同的發(fā)射機(jī))，就會(huì)產(chǎn)生不必要的諧波訊號(hào)。當(dāng)這些額外產(chǎn)生諧波訊號(hào)的電平夠高平、且落在接收機(jī)的可接收頻率范圍內(nèi)，那么，就可能會(huì)引起問題，干擾接收機(jī)正常偵測(cè)頻段內(nèi)的訊號(hào)。雖然PIM不會(huì)對(duì)每一種應(yīng)用都產(chǎn)生影響，但卻可能干擾無線通訊系統(tǒng)的正常運(yùn)作，尤其是在其試圖復(fù)原較低電平訊號(hào)時(shí)。

 

PIM可能發(fā)生在任兩種不同金屬的連接點(diǎn)或介面處，例如連接器和電纜元件的連接處、天線和天線饋送的連接處。接觸不良的連接器、內(nèi)部生鏽或氧化的連接器也可能會(huì)導(dǎo)致PIM。PCB材料也可能是PIM的來源，它可能來自于材料本身或饋電點(diǎn)。因此，透過了解不同電路板材料的參數(shù)與PIM之間的關(guān)系，將有助于選擇合適的材料，而不至于造成PCB天線的PIM性能退化問題。

 

PCB天線

以PCB形式制造的高頻天線可以有多種不同結(jié)構(gòu)，從簡(jiǎn)單的雙極(dipole)到基于環(huán)形諧振腔和羅特曼(Rotman)透鏡的復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。其中一種比較受歡迎的PCB天線就是微帶貼片天線，它可以在特定的頻率范圍內(nèi)設(shè)計(jì)出簡(jiǎn)單且緊湊的天線結(jié)構(gòu)(如圖1)。許多產(chǎn)品利用多個(gè)PCB貼片天線或諧振結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了波束成形網(wǎng)路(BFN)或相控陣天線，并透過電調(diào)方式，為雷達(dá)或通訊系統(tǒng)控制其薄型PCB天線結(jié)構(gòu)的振幅、相位和方向。

 

在毫米波(mmWave)頻率下，緊湊型的平面PCB天線也越來越受到關(guān)注，例如用于汽車電子安全系統(tǒng)的77GHz先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)，就以這種天線實(shí)現(xiàn)盲點(diǎn)偵測(cè)、自動(dòng)煞車系統(tǒng)和防碰撞等功能。由于這種系統(tǒng)的訊號(hào)功率較低，ADAS接收機(jī)必須依靠其高靈敏度，可靠地偵測(cè)從行人和其他車輛等目標(biāo)反射的雷達(dá)回波。

 

圖1：微帶貼片天線結(jié)構(gòu)是大型天線陣列的基本組成

 

電路層壓板的介電常數(shù)(Dk)是許多工程師在設(shè)計(jì)微帶貼片天線時(shí)首先要考慮的因素。電路板材料的Dk值對(duì)于電路尺寸的影響將透過以下表格中的四個(gè)例子進(jìn)行詳細(xì)描述，其結(jié)果并顯示對(duì)于特定頻率的微帶貼片天線，其尺寸隨著Dk值的增加而縮小。

 

 

該表是透過MWI-2017軟體計(jì)算而建立的，表中微帶貼片天線的尺寸，如長(zhǎng)度(L)和寬度(W)可以利用以下的簡(jiǎn)單方程中取得：

    ?　W = (c/2fr)[2/(Dkeff +1)]0.5

    ?　L = λ/[2(Dkeff)0.5] - 2ΔL
 

其中：

    ?　Dkeff = 微帶電路的有效介電常數(shù)；

    ?　λ = 基于微帶電路的波長(zhǎng)；

    ?　fr = 貼片輻射元件的諧振頻率；

    ?　c = 自由空間中的光速；

    ?　ΔL = 由于電場(chǎng)邊際效應(yīng)引起的貼片延伸長(zhǎng)度。

 

微帶貼片天線單元在發(fā)射時(shí)將電磁能量(EM)輻射到自由空間，在接收時(shí)將電磁能量傳輸?shù)竭B接的電路上(例如，接收器)。但貼片只是PCB天線的一個(gè)組成單元，饋線構(gòu)成了另一個(gè)重要部份。饋線在連接的微帶電路和輻射貼片之間，扮演著傳輸和接收電磁能量的橋梁作用。理想情況下，貼片應(yīng)呈現(xiàn)高輻射，而饋線則具有低輻射，從而實(shí)現(xiàn)能量從電路到貼片的有效傳遞。

 

圖2展示可用于微帶貼片天線的四種不同饋線方式，分別為：松藕合饋電、底層饋電(常用于多層電路中，饋線在貼片下方)、緊藕合饋電，以及四分之一波長(zhǎng)(λ/ 4)阻抗變換器饋電。這幾種饋電方式的饋線復(fù)雜性和用途均不相同。例如，針對(duì)底層饋電的情況，PCB設(shè)計(jì)者可以選擇外層使用最好的電路板材料以獲得最佳的輻射，也可以選擇不同的內(nèi)層電路板材料，從而降低饋線的輻射和插入損耗。

 

圖2：用于微帶貼片單元的四種不同饋線配置：(a)松藕合饋電；(b)底層饋電；(c)緊藕合饋電；(d)四分之一波長(zhǎng)阻抗變換器饋電

 

對(duì)于天線而言，較厚的電路板材料更易于向外輻射能量。一般來說，設(shè)計(jì)諸如微帶貼片之類的天線輻射單元，應(yīng)該選擇相對(duì)較厚且具有較低Dk值(例如2.2至3.5)的電路板材料。盡管更高Dk值的材料輻射效率較低，使用較高Dk值的電路板材料來設(shè)計(jì)PCB天線更具挑戰(zhàn)性。但當(dāng)需要設(shè)計(jì)更小的貼片天線時(shí)，仍可透過最佳化設(shè)計(jì)而使用更高Dk值的電路板材料。

 

PIM策略

PIM較高的天線可能導(dǎo)致無線通訊系統(tǒng)中(如4G LTE無線網(wǎng)路)的資料遺失。這種網(wǎng)路仰賴分佈式天線系統(tǒng)(DAS)延長(zhǎng)無線覆蓋，而新興的5G無線網(wǎng)路盡管頻率較高，但實(shí)際上也是如此。

 

對(duì)于收發(fā)系統(tǒng)中的兩種頻帶內(nèi)載波訊號(hào)頻率f1和f2，PIM就是nf1-mf2和nf2-mf1的混合產(chǎn)物，其中n和m是整數(shù)。這種衍生的PIM諧波可以按一定規(guī)則進(jìn)行分類，其順序由m和n之和確定，例如2f1-f2和2f2-f1(圖3)的三階分量。三階互調(diào)分量值得關(guān)注，因?yàn)樗鼈冸x載波訊號(hào)最近而可能落在接收機(jī)的頻帶內(nèi)，而且如果分量具有較高功率，就可能會(huì)造成接收阻塞。

 

圖3：混合諧波導(dǎo)致不同階數(shù)的互調(diào)失真(IMD)

 

PIM諧波分量的幅度不僅是f1和f2幅度的函數(shù)，而且也是其PIM階數(shù)的函數(shù)。PIM諧波分量的幅度隨著階數(shù)的增加而減小。因此，第5、第7和第9階PIM諧波功率水淮通常較小而不會(huì)影響接收器性能。

 

到底多低的功率電平可以認(rèn)為是低PIM？這個(gè)值可能因系統(tǒng)而異。對(duì)于4G LTE系統(tǒng)使用DAS設(shè)備中所包括的一些被動(dòng)元件(如連接器和電纜)，-145dBc通常就夠低了。一般來說，-140dBc或更高數(shù)值被認(rèn)為是較差的PIM性能，而-150dBc通常較好，-160dBc則更優(yōu)越。

 

在專門設(shè)計(jì)的微波暗室中測(cè)量天線和其他被動(dòng)元件的PIM電平時(shí)，低至-170dBc可能超出暗室測(cè)試環(huán)境雜訊水淮。而當(dāng)使用兩個(gè)+43dBm單音訊號(hào)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，大多數(shù)PIM測(cè)試暗室的實(shí)際雜訊級(jí)為-165dBc。

 

當(dāng)同一天線以共同饋線同時(shí)實(shí)現(xiàn)發(fā)射和接收功能時(shí)，低PIM尤其重要。因?yàn)榘l(fā)射機(jī)和接收機(jī)都同時(shí)位于同一系統(tǒng)中，多個(gè)發(fā)射訊號(hào)的非線性產(chǎn)物總會(huì)導(dǎo)致不想要的互調(diào)諧波，其幅度往往足以使接收機(jī)的性能降低。了解不同材料特性對(duì)于PIM產(chǎn)生的作用，就能減少PIM對(duì)PCB天線造成的影響。

 

盡管大多數(shù)情況下PIM是由電路結(jié)點(diǎn)(如焊點(diǎn)或連接器)中不均勻的材料產(chǎn)生，但電路板材料的特性，如粗糙的銅箔表面和不同類型的電鍍表面處理，也可能會(huì)產(chǎn)生較低或較高的PIM電平。電路板材料中的某些參數(shù)就可以用來作為設(shè)計(jì)低PIM PCB天線的參考。

 

例如，相較于PCB層壓板的陶瓷或聚四氟乙烯(PTFE；塑料)介質(zhì)，層壓板的銅箔表面粗糙度對(duì)于影響PIM起主要作用。同時(shí)，對(duì)于相同介質(zhì)材料的電路(例如，含有玻璃或陶瓷填料的PTFE)，粗糙的銅箔表面對(duì)于PIM性能的影響就要比平滑的銅箔表面更大。

 

為了了解銅箔表面粗糙度與PIM的關(guān)系，透過測(cè)試具有不同銅箔表面粗糙度的電路層壓板，分析其對(duì)于PIM性能的影響。具體方法如下：先測(cè)量每種銅箔的表面粗糙度，然后壓合成層壓板，接著在層壓板上制作微帶傳輸線測(cè)試電路，以測(cè)量對(duì)應(yīng)的每種層壓板的PIM性能。結(jié)果顯示，隨著銅箔表面的粗糙度增加，對(duì)于PIM影響越來越大(圖4)。

 

圖4：電路材料的銅箔表面粗糙度與PIM性能的關(guān)系

 

PCB材料制作的天線和其它被動(dòng)元件在經(jīng)過表面電鍍后，也會(huì)對(duì)PIM性能產(chǎn)生影響。鐵磁性材料(如鎳)，嚴(yán)重影響PIM的性能。浸鍍錫通常比裸銅電路具有更好的PIM性能，而使用化學(xué)鎳金(ENIG)的電路由于含有鎳會(huì)產(chǎn)生較差的PIM性能。

 

電路表面的清潔度有利于降低微帶天線和其它被動(dòng)元件的PIM性能。具有防焊功能的電路通常比裸銅電路具有更好的PIM性能。清潔的電路、毫無殘留的濕法化學(xué)處理，是降低PIM性能的重要基礎(chǔ)。電路中帶有任何形式的離子污染物或殘留物，可能會(huì)導(dǎo)致較差的PIM性能。

 

同樣地，電路的蝕刻品質(zhì)對(duì)于改善PIM性能也十分重要。如果銅箔導(dǎo)體沒有被充份地腐蝕掉，導(dǎo)致電路邊緣產(chǎn)生粗糙和毛刺，這種情況也可能使PIM性能退化。

 

只要仔細(xì)地選擇電路板材料，就可能為被動(dòng)元件或電路提高其PIM性能。不過，就算使用了低PIM的材料，某些類型的電路也可能因其結(jié)構(gòu)較易受PIM影響，而無法改善其PIM性能。例如，羅杰斯公司(Rogers Corp.)以32.7mil厚的RO4534電路板材料進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)。這種天線層壓板的特性是：Dk為3.4，容差為±0.08，在10GHz時(shí)的低損耗因數(shù)(低損耗)為0.0027。

 

使用這種相同的電路板材料制造出三種不同的電路，分別為傳輸線、帶通濾波器、低通濾波器(圖5)。即使這些電路是基于同一電路板材料制造的，但由于PIM受到電流密度的影響，造成PIM的差異就非常顯著。相較于簡(jiǎn)單的傳輸線電路，濾波器具有較高的電流密度，從而產(chǎn)生更高的PIM諧波。而當(dāng)使用兩個(gè)+43dBm的單音訊號(hào)對(duì)微帶傳輸線進(jìn)行測(cè)試評(píng)估時(shí)，RO4534材料呈現(xiàn)出-157dBc的低PIM性能。

 

圖5：采用相同低PIM材料制造的三種不同電路，分別呈現(xiàn)出不同的PIM性能：具有更高電流密度的電路

 

如實(shí)驗(yàn)所示，常用于天線饋電的簡(jiǎn)單傳輸線電路，幾乎可以達(dá)到接近材料的額定PIM水淮。盡管如此，PIM性能也與電路配置密切相關(guān)，不同的電路導(dǎo)致最終的PIM性能差異。