粘结材料如何降低多层毫米波PCB的损耗

电路损耗随着频率的增加而增加，在过去该特性限制了印刷电路板（PCB）的毫米波（mmWave）的应用。但是，当毫米波范围内可用的频谱的电路需求增加，为满足这些需求，电路设计人员开始尝试使用新式的低损耗电路材料，或由多层不同的电路材料组成的混合电路。例如用于高速、高频电路的极低损耗电路材料，以及更具成本效益的的FR-4材料用于不需要低损耗特性的地层、电源层和控制线等。第五代（5G）新射频（NR）蜂窝无线基站、短距离高速数据链，和汽车雷达系统等应用，也在推动对毫米波电路及其所需的低损耗电路材料的需求。幸运的是，有若干种低损耗的电路材料可用于毫米波电路。此外，多层毫米波PCB的一个关键成分-粘结材料或半固化片-其性能已经可将电路在毫米波频率范围内损耗降至最小。

半固化片在不同电路材料之间实现电绝缘，同时也是一种粘结材料，可将多层PCB中的电路层固定在一起。在毫米波电路中，尽管有诸多电气和机械特性可对其进行表征，但其电气损耗是首要的关注点。通常，PTFE的半固化片表现出非常低的损耗，若与PTFE电路层压板相结合，可在多层PCB中提供极低损耗性能。如果使用PTFE半固化片组装多层电路，需要PCB加工商进行熔粘，将各层粘结在一起。但是，在多层PCB熔粘PTFE半固化片这项技术中有能力、有经验的PCB加工商数量相当有限。因此，PTFE半固化片具有出色的电气性能，但在大规模的PCB制造工艺中进行处理，可能具有挑战性，必须仔细在电气性能与使用PTFE半固化片的实际制造工艺之间的权衡情况。

对于大量毫米波应用产品的PCB，这些权衡有助于指导最优半固化片的选择。罗杰斯公司（Rogers Corp.）的RO4450F™是著名且常用的半固化片，尽管它可能不是多层毫米波PCB的首选，但对PCB工业制造进程十分友好，兼容常规PCB制造工艺。在大批量的情况下，其损耗因子（Df）在10GHz时的为0.004，这对于许多射频和微波应用来说是很好的优势。对于达到24GHz或更高毫米波频率范围的信号（信号功率更有限）来说，这种损耗在某些设计来说也是可以接受的。虽然RO4450F半固化片已被用于损耗性能不太关键的毫米波电路应用，但如果电路应用对损耗性能要求更高，就需要损耗因子更低的半固化片。

相比之下，罗杰斯公司的2929型粘结材料（类似于半固化板）可以将多层PCB的不同层固定在一起。它的损耗因子比RO4450F半固化片更低，在10GHz时为0.003，这意味着更高频率下的电路损耗更小。当这种粘结材料与极低损耗的电路层压材料相结合时，在毫米波频率范围内可实现具有极低损耗的多层PCB电路。

由于在毫米波频段信号功率的设定，如在高分辨率雷达应用中的这些电路而言，损耗因子值低于0.003的低损耗材料是必不可少的。罗杰斯SpeedWave™300P半固化片具有极低的损耗特性，在10 GHz的损耗因子仅0.002，从而使其成为许多需要低损耗特性的新兴毫米波电路的候选材料的佼佼者。它可以提供不同的厚度和玻璃布种类，包括开纤和开窗玻璃布，从而为多层电路设计者提供了更大的灵活性。厚度和玻璃布种类的选择对半固化片的损耗因子影响非常小，取决于选择方案，在10 GHz频率下其损耗因子的范围为0.0019到0.0022。同样的，对于所有厚度和玻璃布种类而言，在10 GHz的频率下Z向（厚度）介电常数范围为3.0到3.3。为了尽可能减少毫米波频段下玻璃纤维的影响，建议使用开纤玻璃布的半固化片，因此1035系列（厚度为0.0020或0.0025英寸）和1078系列（厚度为0.0030或0.0035英寸）的SpeedWave 300P半固化片是更合适的选择。

为了更好地理解半固化片和电路层压板组合在高频损耗方面的特性，选取罗杰斯公司的CLTE-MW™电路层压板与SpeedWave300P半固化片制作了带状线测试电路进行性能评估。CLTE-MW是玻璃布增强的PTFE层压板，损耗也非常低，在10 GHz下其损耗因子为0.0015。采用高性能的测试设备测试半固化片和层压板的电路特性，包括测试毫米波频率范围内信号频率、相位和振幅等，得到在77 GHz的频率下电路的插入损耗为2.25 dB/in。77 GHz的频率属于高级驾驶辅助系统（ADAS）汽车安全应用毫米波雷达采用的频率，在该频率下，对于带状线而言，CLTE-MW与SpeedWave300P组合的特性是十分低的损耗特性。这种传输线插入损耗与目前的77 GHz雷达应用相比有一定的优势。尽管目前的雷达应用的混合多层电路高频部分主要采用的微带线传输线。由于微带线的电场部分与空气作用使得损耗较低，但是，作为多层混合印制电路板的一部分，带状线在许多新型高分辨率77 GHz雷达中也逐渐得到了广泛的应用。这种情况下，半固化片的损耗因子对于带状线混合电路在毫米波频段的总体损耗起着重要的作用。

另一方面，在新型高精度雷达电路的更高频段下，传输线和其他电路结构的阻抗匹配对于保持低损耗以及最小信号反射也至关重要。通过将半固化片的介电常数值与毫米波电路的低损耗层压板的介电常数值相匹配，可以减小阻抗变化，得到更好的阻抗一致性。SpeedWave 300P在10 GHz下的典型Z向介电常数为3.16，而CLTE-MW层压板的典型Z向介电常数为2.94到3.02，因此，该半固化片能够很好地与CLTE-MW层压板搭配使用从而获得更加性能。

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