Rogers羅杰斯RO4350B板材在24GHz時介電常數和損耗因子是多少?

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RO4350B的介電常數穩定性比較高,標準值采用10GHz頻率下測試值為3.48,隨頻率升高介電常數會下降,24GHz頻率下介電常數相比10GHz頻率下降0.01,為3.47。

一般從以下幾方面選擇高頻PCB板材:低介電常數,低損耗因子,頻率和溫度穩定性,以及成本(物料成本,設計-測試-制造成本)。ROGERS公司生產的RO4350B為碳氫樹脂及陶瓷填料層壓板和半固化片的低損耗材料,具有出色的高頻性能(一般可以應用于30GHz以下)。由于RO4350B采用標準的環氧樹脂/ 玻璃(FR-4)加工工藝進行加工,因此還具有低廉的線路加工成本。可以說,RO4350B達到了成本和高頻性能的最優化,是最具性價比的低損耗高頻板材。為了更好的實現設計要求,筆者在設計微帶陣列天線時研究了基于RO4350B板材的微帶傳輸線在24GHz的插入損耗。

微帶線插損分析
微帶線插損主要包括導體損耗、介質損耗、表面波損耗和輻射損耗,其中以導體損耗和介質損耗為主。趨膚效應使得微帶線上的高頻電流集中于導帶和接地板與介質基板直接接觸的薄層上,等效交流電阻要遠大于低頻情況。當工作在10GHz以下時,微帶線的導體損耗比介質損耗要大得多,當工作頻率上升到24GHz,介質損耗超過導體損耗。

圖1為HFSS計算的不同長度微帶線插損情況,介質基板均是厚度為20mil的RO4350B。從圖中可以看出,微帶線的插損約為17dB/m,其中金屬損耗、介質損耗和其它損耗分別為4.47dB/m、11.27dB/m、1.26dB/m。作為對比,表1為MWI2016計算的微帶線插入損耗情況,從中可以看出相同條件下MWI計算值為24.4dB,其中介質損耗值接近,但是導體損耗值差了7dB。差異原因是HFSS模型中沒有考慮導帶和接地板的表面粗糙度。微帶線插入損耗的HFSS計算結果如下圖:

減小微帶線插損措施
1)合理選擇板厚、慎用綠油
由表1可以看出,相同特性阻抗的微帶線,其導體損耗隨著介質厚度的增加而減小,而介質損耗基本不變。原因是介質基板越厚,微帶線寬越窄,高頻電流更加集中,從而導體損耗越大。值得注意的是,綠油介質在24GHz的損耗正切角較大,會使微帶線插損增加。因此在設計24GHz微帶天線時,需要對天線區域進行阻焊開窗。微帶線插入損耗的MWI2016計算結果如下圖:

2)優選LoPro銅箔
導帶和接地板銅箔表面粗糙度也是影響微帶線的插損的重要因素。銅箔表面越光滑,導體損耗越小。RO4350B提供了可電解銅箔(ED)和低粗糙度反轉處理銅箔(LoPro)兩種覆銅類型,其中ED銅箔的表面粗糙度在3um左右,LoPro銅箔可以達到0.4um,因此能有效減少導體損耗。圖2顯示了這兩種銅箔的微帶線插損對比,介質基板厚度均為0.1mm。從圖中可以看出,24GHz時LoPro銅箔微帶線的插損比ED銅箔小40%。電解銅和反轉銅的插損比較如下圖:

3)合理選擇表面處理工藝
表面處理工藝也是影響導體損耗的因素之一。常見的表面處理工藝有四種,分為沉銀、沉金(無鎳金)、 鎳金(鎳3-5um,金2.54-7.62um)和沉錫。表2給出了這幾種金屬的電參數,其中鎳屬于鐵磁性材料,其磁介電常數為600。根據趨膚深度計算公式,鎳的趨膚深度要比其他金屬小一個量級,因此鎳的表面電阻要比其他金屬大幾十倍,導致鎳金工藝的導體損耗要遠大于其他工藝。圖3是對比了裸銅、沉銀和鎳金表面處理工藝的插損,基板厚度均為20mil。從圖中可以看出,沉銀工藝和裸銅的插損差不多,但鎳金表面處理后的微帶線插損要大4dB/m(10GHz),可以預見,這個差值在24GHz時會更大。不同金屬的電導率,磁介電常數和趨膚深度和鎳金工藝和裸銅的插損比較如圖: www.larrybuds.com

綜上,我們在利用RO4350B介質基板設計24GHz微帶天線或者微帶電路時,需要根據性能和成本要求綜合考慮介質板厚度、覆銅類型以及表面處理工藝。結論同樣適用于Rogers RO4000和RO3000系列的大部分板材。

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2020年2月22日 15:50
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