對于通信設備或其他等一些應用，毫米波頻段非常具有吸引力，因為從30GHz到300GHz范圍內有非常寬的可用頻帶資源。但是尋找此頻段內性能卓越且價格低廉的印刷電路板（PCB）材料是一個巨大挑戰。然而，通過對毫米波頻段PCB材料關鍵參數和特性的理解，如不同PCB材料對不同電路性能的影響等，找到適合于此頻段內應用的PCB材料是完全可能的。

當進行微波電路設計時需要考慮很多的影響因素，這些因素通常會使電路設計變得困難或者給電路帶來巨大的影響。這些因素包括抑制雜散模式傳輸、減小導體損耗和輻射損耗、實現有效的信號過渡，減小干擾諧振以及控制色散等。

圖1a.微帶傳輸線電路

圖1b.接地共面波導傳輸線

設計指導

有許多設計方法可以減小波傳輸中的一些問題，比如使用非常薄的電路基材。一般情況下，使用的層壓板厚度要小于電路最高工作頻率的四分之一波長。然而實際應用中，為了減小電路板中不同電路之間的耦合諧振干擾，使用的電路基材厚度最好低于電路最高工作頻率的八分之一波長。不僅電路的相互耦合或諧振會干擾主信號的傳輸，其產生的表面波也會影響主信號的傳輸。信號導體的寬度和電路層壓板的厚度有關，層壓板越薄，對應的導體寬度應越小。為了有效抑制雜散模式，導體寬度也應該不超過電路最高工作頻率的八分之一波長。

上述層壓板厚度和導體寬度設計方法可直接適用于高頻微帶線電路設計，其他類型的電路設計還需考慮更多因素。對于接地共面波導（GCPW），又稱為金屬底板共面波導（CPCBW），在毫米波頻段越厚的電路層壓板表現出有利于抑制雜散模式傳輸。

如圖1a所示的微帶線結構，微帶傳輸線中的信號層和接地面之間存在一定的間隔（基材厚度）。如果該間隔為四分之一波長，兩個銅箔平面間會產生諧振并干擾主信號傳輸。如果基材厚度為四分之一波長但銅導體寬度小于等于四分之一波長，諧振可能不會產生或者可以被忽略。如果基材厚度和銅導體寬度都大于等于四分之一波長，電路就很容易產生額外的諧振和雜散模式。圖1b所示是接地共面波導結構。即使GCPW基材厚度和導體寬度等于四分之一波長，由于共面接地的緊耦合結構，電路雜散諧振可以避免。共面接地面與信號導體鄰近且通過電鍍通孔（PTHs）實現與底層地面相連。當然，所有的高頻電路結構的選擇都會存在各方面因素的權衡，如GCPW電路的導體損耗就比微帶線電路更高。然而，考慮到工作頻率，由于GCPW電路具有比微帶線電路更低的輻射損耗，因此總的插入損耗并不一定更高。

對于高頻傳輸線及高頻電路，插入損耗是諸多損耗成分的總和，包括介質損耗、導體損耗、輻射損耗和泄露損耗等。高頻PCB材料一般具有較大的體電阻因此RF泄露損耗非常小。介質損耗與電路材料的損耗因子或tanδ相關。損耗也受其他附加材料的影響，例如防焊油墨或粘結片。由于防焊油墨是一種高損耗材料，其損耗因子為0.02，通常在RF/微波頻段尤其是毫米波頻段不使用防焊油墨。此外，防焊油墨對介電常數（Dk）的影響過程難以控制，使用防焊油墨會導致阻抗失配，進一步造成回波損耗和插入損耗的增加。

厚度變化

防焊油墨通常在不同電路之間甚至同一電路中存在厚度差異，這將導致電路無法預期的阻抗變化。而且防焊油墨通常具有高的吸水率，這會嚴重降低PCB電路的性能。水的介電常數Dk為70且具有比電路材料大得多的損耗因子，當電路吸收一定量的水分后，電路材料的Dk將變大，電路的損耗也將上升。因此，在毫米波頻段盡量少用或者不用防焊油墨。

電路使用的基材越薄，特別是毫米波電路，導體損耗將變得越大，且隨著頻率升高導體損耗會顯著增加。通常在PCB基材加工過程中，會對銅箔表面進行糙化處理以改善其和PCB介電材料的結合率。但粗糙的銅箔表面會導致更高的損耗。一般來說，當電路工作頻率對應的趨膚深度小于或等于銅箔的表面粗糙度時，表面粗糙度的影響將變得非常顯著。在毫米波頻段，趨膚深度通常小于銅箔的表面粗糙度。

銅箔表面粗糙度具有多種測量方法和衡量單位。對于射頻/微波應用，Rq或者均方根（RMS）測量是一種較為合適的粗糙度測量方法。表1a列出了高頻PCB材料中常用的不同種類的銅箔粗糙度。表1b表明，在毫米波頻段，趨膚深度甚至與最光滑的銅箔表面粗糙度相當。

從表1的數據可知，小于50GHz應用的電路設計者也許會覺得選用任何種類銅對電路的影響不大，因為所有銅箔類型的表面粗糙度都大于趨膚深度。這個結論存在一定的錯誤。因為越粗糙的表面所產生的寄生電感將越大，且粗糙表面會導致表面阻抗的變化和增加插入損耗。圖2顯示的研究結果表明了銅箔粗糙度對傳播常數和插入損耗的影響。

	銅箔表面粗糙度 RMS（微米）
壓延銅	0.3
低粗糙度電解銅	0.6
標準電解銅	1.2
高粗糙度電解銅	2.4

表1a.RF/微波電路中常用典型銅箔的表面粗糙度值

頻率（GHz）	信號在導體中的 趨膚深度（微米）
1	2.00
10	0.67
50	0.30
77	0.24
110	0.20

表1.b 不同頻率下信號趨膚深度

圖2. 銅箔表面粗糙度對傳輸常數和插入損耗的影響示意圖

圖3. 在相同材料上使用不同粗糙度銅箔的電路損耗對比

為了進一步比較銅箔粗糙度的影響，圖3顯示了在相同的材料上使用不同種類銅箔的電路插入損耗對比。所使用的羅杰斯標準RO4350B™層壓板銅箔的平均粗糙度為2.5um RMS，而RO4350BLoPro™層壓板銅箔的平均粗糙度為0.6 um RMS。盡管50GHz時曲線結果存在一定的噪聲抖動，但是趨勢很明顯，越光滑的銅表面所對應的插入損耗越低。當然，兩個材料的介質厚度存在細微差異（0.7 mils），但對于越薄的材料，導體損耗將占總損耗的主要部分。

電路最終的表面處理也會影響電路的導體損耗，尤其是在高頻頻段。通常，PCB表面處理中所用的許多金屬的導電性都比銅差，附加表面處理工藝會導致導體損耗的增加。例如PCB中最常使用的化學鎳金（ENIG）表面處理，由于鎳的導電性比銅差，使用ENIG表面處理將不可避免地造成導體損耗的增加。典型的ENIG表面處理的金屬導體疊層都是從材料的基銅開始，在銅上方沉積鎳以防止銅的氧化，最后在鎳的上方沉積金。從厚度上來看，金的生長是自限制過程且厚度一般為0.2um左右，而鎳的厚度一般為5um左右。考慮到毫米波頻段的趨膚深度，電流會完全覆蓋鎳層以及部分金層。隨著頻率的升高，鍍金層也會完全被覆蓋。但由于金的導電性仍比銅差，因此使用ENIG表面處理最終會導致電路導體損耗的增加。

圖4顯示了相同電路基材上使用裸銅和使用ENIG對電路插入損耗的影響。圖4的結果解釋了很多問題。使用ENIG表面處理的電路插入損耗比裸銅結構電路高。但在低頻段，兩種電路的插入損耗特性有所不同。這主要是因為鎳層較厚，低頻段電流因趨膚深度大部分分布在鎳金屬中，而在銅和金中的分布則很少。當頻率上升到20GHz時，由于趨膚深度效應，電流在金中開始分布。隨著頻率的進一步上升，更多的金被使用，ENIG電路的插入損耗曲線變得和裸銅結構的損耗曲線平行。

圖4. 使用相同材料的裸銅結構和ENIG表面處理微帶傳輸線插入損耗對比

銀

純銀的電導率比純銅的電導率更高，在PCB表面處理工藝中使用沉沉銀工藝使用的實際上是銀合金而非純銀。該合金近似為純銀，在導電性上接近于銅。沉銀工藝是自限的，附加上的銀也是薄薄的一層，厚度一般為0.2um。與金相比，銀會被逐漸氧化而金不會。雖然銀的氧化會使表面顏色發生變化，但這種氧化對電路插入損耗幾乎沒有影響。本文作者對存放2.5年沉銀工藝發生氧化的電路的研究表明氧化未對電路插入損耗造成影響。值得說明的是圖4的測試中信號過渡的問題。圖4中的曲線數據是借助50GHz頻率上限的商用矢量網絡分析儀得到的。但由于信號的過渡問題導致35GHz以上存在噪聲，因此圖中的數據只測到35GHz，。如果使用更有效的信號過渡，在25GHz到50GHz甚至更高頻范圍內，圖4中的ENIG插入損耗曲線和裸銅插入損耗曲線應該趨于平行。

如前所述，插入損耗有許多組成成分，了解這些成分對于毫米波電路的設計者是非常有幫助的。羅杰斯公司開發的MWI應用軟件可以仿真插入損耗的各個組成成分，該程序可以從羅杰斯主頁(www.rogerscorp.com)上下載。該程序是基于Hammerstad和Jenson提出的微帶傳輸線阻抗和損耗特性描述方法。MWI軟件也能預測微帶線的輻射損耗，其計算基于Wadell的研究結果，測試表明軟件預測值具有很高的準確度。

圖5展示了使用MWI-2010仿真得到的兩種不同厚度的電路的插入損耗及組成成分。在電路仿真模型中，導線的寬度保證傳輸線阻抗為50Ω，使用材料的Dk為3.66，銅厚為1 oz。如果忽略輻射損耗，介質損耗和導體損耗的對比非常明顯。當頻率低于15GHz時，在薄的10 mils電路中，導體損耗是總插入損耗的主要組成部分。而厚的30 mils電路中介質損耗高于導體損耗。在該頻率范圍內，電路設計者在銅箔（導體損耗）和損耗因子（介質損耗）一定的情況下選擇材料需要考慮電路板的厚度。在圖5所示的頻率范圍內，對于30 mils的電路，15GHz時輻射損耗盡管已非常顯著，但不是插損的主要部分，

圖5.不同厚度相同電路材料的微帶傳輸線插入損耗（總損耗）及各組成成分對比

輻射損耗

圖5表明輻射損耗取決于工作頻率和電路厚度。頻率在15GHz以下，10 mils電路的輻射損耗并不明顯忽略，而30 mils電路的輻射損耗非常顯著。因此一般來說，使用薄的電路基材厚度可以降低輻射損耗。當頻率上升到毫米波頻段（大于30GHz）時，相比于薄的電路，厚的電路的輻射損耗是總損耗的主要部分。

輻射損耗除了和PCB材料的厚度有關，還和PCB材料的Dk值有關。電路材料的Dk值越大，電路的輻射損耗將越低，但這將給電路帶來更高的導體損耗。此外，電路材料的Dk值越大，實現相同的阻抗值時信號導體的寬度將越窄。而信號導體越窄對應的導體損耗也將越高。

電路的設計也會影響輻射損耗，因為任何阻抗的失配通常都會伴隨一定的能量輻射。在射頻/微波電路中阻抗失配是很常見的，這和電路的具體設計密切相關。例如，帶狀線電路通常沒有輻射損耗，而如圖5中的微帶線電路則易于產生輻射損耗，其輻射的程度與電路厚度及其他因素有關。當輻射損耗成為一個設計問題時，使用GCPW電路可以有效降低輻射損耗。該結論在50GHzGCPW電路及其他電路最優化信號過渡的研究中有詳細闡述。

在毫米波高頻頻段，信號接口的良好過渡是保證電路性能的一個重要因素。信號過渡和輻射損耗是相關的，因為有效的信號過渡能使信號能量從一個傳輸模式有效過渡到另一個傳輸模式，這將使輻射損耗減小。例如，典型的RF連接器的工作模式為橫電波模式（TE）而平面PCB的工作模式為橫電磁波（TEM）模式。GCPW和微帶線的工作模式為準TEM模式，而帶狀線的工作模式為標準TEM模式。當傳輸模式改變時，例如連接器和電路板的連接，任何的寄生電抗或阻抗失配都將導致電路產生輻射損耗。

毫米波高頻電路的設計者應該時常聯系高頻材料的供應商以更好的理解不同高頻電路材料的綜合性能及適用于毫米波電路的不同PCB材料。許多電路基材可組合不同種類及不同粗糙度的銅以供使用。在單個產品系列中，從Dk和損耗因子角度來看，也存在許多不同的電路材料可供選用。高頻電路材料供應商非常樂意同電路設計者緊密合作，一道實現對現有的和新型的微波/毫米波電路性能的優化。

作者：羅杰斯公司先進互連解決方案事業部市場技術經理 John Coonrod

參考文獻

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[3] Brian C. Wadell, “Transmission Line DesignHandbook,” Artech House, Norwood, MA, 1991, p. 99.
[4] Bill Rosas, “Optimizing Test Boards for 50 GHzEnd Launch Connectors: Grounded Coplanar Launchesand Through Lines on 30-mil RO4350B with Comparisonto Microstrip,” Southwest Microwave, Inc., Tempe, AZ,2007, www.southwestmicrowave.com.

(本文由英文翻譯而來，如出現差異，請以英文為準)

本文刊登于微波射頻網旗下《微波射頻技術》雜志 2016微波技術專刊，未經允許謝絕轉載。