Seleção de PCB e consideração da transição de micro-ondas para projeto de banda de onda milimétrica

A frequência do sinal na aplicação do radar automotivo varia entre 30 e 300 GHz, chegando até 24 GHz.Com a ajuda de diferentes funções de circuito, esses sinais são transmitidos por meio de diferentes tecnologias de linha de transmissão, como linhas microstrip, linhas strip, guia de onda integrado ao substrato (SIW) e guia de onda coplanar aterrado (GCPW).Essas tecnologias de linha de transmissão (Fig. 1) são geralmente usadas em frequências de micro-ondas e, às vezes, em frequências de ondas milimétricas.São necessários materiais laminados de circuito especialmente usados ​​para esta condição de alta frequência.A linha de microstrip, como a tecnologia de circuito de linha de transmissão mais simples e mais comumente usada, pode alcançar alta taxa de qualificação de circuito usando tecnologia de processamento de circuito convencional.Mas quando a frequência é aumentada para a frequência de onda milimétrica, pode não ser a melhor linha de transmissão do circuito.Cada linha de transmissão tem suas próprias vantagens e desvantagens.Por exemplo, embora a linha de microstrip seja fácil de processar, ela deve resolver o problema de alta perda de radiação quando usada na frequência de onda milimétrica.

Figura 1 Ao fazer a transição para a frequência de onda milimétrica, os projetistas de circuitos de micro-ondas precisam enfrentar a escolha de pelo menos quatro tecnologias de linha de transmissão na frequência de micro-ondas

Embora a estrutura aberta da linha microstrip seja conveniente para conexão física, ela também causará alguns problemas em frequências mais altas.Na linha de transmissão de microfita, as ondas eletromagnéticas (EM) se propagam através do condutor do material do circuito e do substrato dielétrico, mas algumas ondas eletromagnéticas se propagam pelo ar circundante.Devido ao baixo valor Dk do ar, o valor Dk efetivo do circuito é menor que o do material do circuito, que deve ser considerado na simulação do circuito.Em comparação com o baixo Dk, os circuitos feitos de materiais de alto Dk tendem a dificultar a transmissão de ondas eletromagnéticas e reduzir a taxa de propagação.Portanto, materiais de circuito de baixo Dk são geralmente usados ​​em circuitos de ondas milimétricas.

Como existe um certo grau de energia eletromagnética no ar, o circuito da linha microstrip irradiará para o ar, semelhante a uma antena.Isso causará perda de radiação desnecessária ao circuito da linha microstrip, e a perda aumentará com o aumento da frequência, o que também traz desafios para os projetistas de circuitos que estudam a linha microstrip para limitar a perda de radiação do circuito.A fim de reduzir a perda de radiação, as linhas de microstrip podem ser fabricadas com materiais de circuito com valores de Dk mais altos.No entanto, o aumento de Dk diminuirá a taxa de propagação da onda eletromagnética (em relação ao ar), causando a mudança de fase do sinal.Outro método é reduzir a perda de radiação usando materiais de circuito mais finos para processar linhas de microfita.No entanto, em comparação com materiais de circuito mais espessos, os materiais de circuito mais finos são mais suscetíveis à influência da rugosidade da superfície da folha de cobre, que também causará uma certa mudança de fase do sinal.

Embora a configuração do circuito de linha microstrip seja simples, o circuito de linha microstrip na banda de ondas milimétricas precisa de um controle de tolerância preciso.Por exemplo, a largura do condutor que precisa ser rigorosamente controlada e quanto maior a frequência, mais rigorosa será a tolerância.Portanto, a linha de microfita na banda de frequência de onda milimétrica é muito sensível à mudança da tecnologia de processamento, bem como a espessura do material dielétrico e cobre no material, e os requisitos de tolerância para o tamanho do circuito necessário são muito rigorosos.

Stripline é uma tecnologia de linha de transmissão de circuito confiável, que pode desempenhar um bom papel na frequência de onda milimétrica.No entanto, em comparação com a linha microstrip, o condutor stripline é cercado pelo meio, portanto, não é fácil conectar o conector ou outras portas de entrada/saída ao stripline para transmissão de sinal.O stripline pode ser considerado como uma espécie de cabo coaxial plano, no qual o condutor é envolto por uma camada dielétrica e depois coberto por um estrato.Essa estrutura pode fornecer efeito de isolamento de circuito de alta qualidade, mantendo a propagação do sinal no material do circuito (em vez de no ar circundante).A onda eletromagnética sempre se propaga através do material do circuito.O circuito stripline pode ser simulado de acordo com as características do material do circuito, sem considerar a influência de ondas eletromagnéticas no ar.No entanto, o condutor do circuito envolvido pelo meio é vulnerável a mudanças na tecnologia de processamento, e os desafios da alimentação do sinal dificultam o manuseio do stripline, especialmente sob a condição de tamanho menor do conector na frequência de onda milimétrica.Portanto, com exceção de alguns circuitos usados ​​em radares automotivos, striplines geralmente não são usados ​​em circuitos de ondas milimétricas.

Como existe um certo grau de energia eletromagnética no ar, o circuito da linha microstrip irradiará para o ar, semelhante a uma antena.Isso causará perda de radiação desnecessária ao circuito da linha microstrip, e a perda aumentará com o aumento da frequência, o que também traz desafios para os projetistas de circuitos que estudam a linha microstrip para limitar a perda de radiação do circuito.A fim de reduzir a perda de radiação, as linhas de microstrip podem ser fabricadas com materiais de circuito com valores de Dk mais altos.No entanto, o aumento de Dk diminuirá a taxa de propagação da onda eletromagnética (em relação ao ar), causando a mudança de fase do sinal.Outro método é reduzir a perda de radiação usando materiais de circuito mais finos para processar linhas de microfita.No entanto, em comparação com materiais de circuito mais espessos, os materiais de circuito mais finos são mais suscetíveis à influência da rugosidade da superfície da folha de cobre, que também causará uma certa mudança de fase do sinal.

Embora a configuração do circuito de linha microstrip seja simples, o circuito de linha microstrip na banda de ondas milimétricas precisa de um controle de tolerância preciso.Por exemplo, a largura do condutor que precisa ser rigorosamente controlada e quanto maior a frequência, mais rigorosa será a tolerância.Portanto, a linha de microfita na banda de frequência de onda milimétrica é muito sensível à mudança da tecnologia de processamento, bem como a espessura do material dielétrico e cobre no material, e os requisitos de tolerância para o tamanho do circuito necessário são muito rigorosos.

Stripline é uma tecnologia de linha de transmissão de circuito confiável, que pode desempenhar um bom papel na frequência de onda milimétrica.No entanto, em comparação com a linha microstrip, o condutor stripline é cercado pelo meio, portanto, não é fácil conectar o conector ou outras portas de entrada/saída ao stripline para transmissão de sinal.O stripline pode ser considerado como uma espécie de cabo coaxial plano, no qual o condutor é envolto por uma camada dielétrica e depois coberto por um estrato.Essa estrutura pode fornecer efeito de isolamento de circuito de alta qualidade, mantendo a propagação do sinal no material do circuito (em vez de no ar circundante).A onda eletromagnética sempre se propaga através do material do circuito.O circuito stripline pode ser simulado de acordo com as características do material do circuito, sem considerar a influência de ondas eletromagnéticas no ar.No entanto, o condutor do circuito envolvido pelo meio é vulnerável a mudanças na tecnologia de processamento, e os desafios da alimentação do sinal dificultam o manuseio do stripline, especialmente sob a condição de tamanho menor do conector na frequência de onda milimétrica.Portanto, com exceção de alguns circuitos usados ​​em radares automotivos, striplines geralmente não são usados ​​em circuitos de ondas milimétricas.

Figura 2 O desenho e simulação do condutor do circuito GCPW é retangular (figura acima), mas o condutor é processado em um trapézio (figura abaixo), que terá efeitos diferentes na frequência da onda milimétrica.

Para muitas aplicações emergentes de circuitos de ondas milimétricas que são sensíveis à resposta de fase do sinal (como radar automotivo), as causas da inconsistência de fase devem ser minimizadas.O circuito GCPW de frequência de onda milimétrica é vulnerável a mudanças nos materiais e na tecnologia de processamento, incluindo mudanças no valor Dk do material e na espessura do substrato.Em segundo lugar, o desempenho do circuito pode ser afetado pela espessura do condutor de cobre e pela rugosidade da superfície da folha de cobre.Portanto, a espessura do condutor de cobre deve ser mantida dentro de uma tolerância estrita e a rugosidade da superfície da folha de cobre deve ser minimizada.Em terceiro lugar, a escolha do revestimento da superfície no circuito GCPW também pode afetar o desempenho das ondas milimétricas do circuito.Por exemplo, o circuito que usa níquel ouro químico tem mais perda de níquel do que cobre, e a camada superficial niquelada aumentará a perda de GCPW ou linha de microstrip (Figura 3).Finalmente, devido ao pequeno comprimento de onda, a mudança na espessura do revestimento também causará a mudança na resposta de fase, e a influência do GCPW é maior do que a da linha de microfita.

Figura 3 A linha microstrip e o circuito GCPW mostrados na figura usam o mesmo material de circuito (Rogers' 8mil RO4003C ™ laminado), a influência do ENIG no circuito GCPW é muito maior do que na linha microstrip na frequência de onda milimétrica.