從插入損耗角度討論材料選型及電路設計

發布日期:2018-07-02 瀏覽次數:0 我要評論(0) 字號:

無線通信從4G LTE到LTE-Advance的快速發展,以及無線標準的不斷演進,使下一代移動通信5G被提上議事日程并被討論的越來越熱烈。隨著物聯網的興起和移動互聯網內容的日漸豐富,“萬物互連”的5G及物聯網時代到即將來到。

插入損耗是無線通信及射頻電路設計中的一個重要指標,幾乎所有的射頻工程師在設計之初都會對電路或系統的插入損耗進行預估,而后開始設計和選型。電路插入損耗影響著電路的性能,在無線通信的關鍵部件如功率放大器中,降低插入損耗有利于提高功放效率,以及更好的熱量管理;在天線應用中,較低的電路插入損耗能夠降低天線饋線的能量損耗,另一方面可提高輻射單元的效率和天線的信號覆蓋范圍。本文將從多個方面討論電路的插入損耗,幫助射頻工程師理解電路總的插入損耗的來源,更好的進行電路材料的選型和電路設計。

插入損耗

在射頻和微波電路中,以最常用的傳輸線為例,插入損耗(Insertion Loss)通常定義為輸出端口所接收到的功率Pl與輸入端口的源功率Pi之比,常用dB表示。插入損耗通常是由于電路的失配引起,但電路設計使要達到理想狀態下的匹配幾乎是不可能的。通常,當回波損耗(Return Loss)小于-15dB時可認為電路具有良好的匹配。

圖1、插入損耗的定義

在實際的電路中有許多方面的因素造成電路產生損耗,如電路設計及匹配,使用電路材料的損耗和加工等。對于微帶傳輸線電路,插入損耗主要包括介質損耗、導體損耗、輻射損耗和泄露損耗幾個部分,是各種損耗成分的總和。輻射損耗通常發生在嚴重失配、或特定的電路設計如天線,或微帶線寬度與所傳輸的高頻信號頻率的波長相比擬時,對通用微帶線來說輻射損耗幾乎很小。泄露損耗通常由于高頻PCB材料具有較大的體電阻而較小,一般可以忽略。

因此,導體損耗和介質損耗是傳輸線上信號衰減的主要方面。導體損耗是包括傳輸線上信號路徑和返回路徑上的能量損失,是由導體自身的阻抗引起。介質損耗則是由于構成電路的電路材料的耗散因子所決定,選擇相對較小的損耗因子的電路材料有利于電路總的插入損耗的減小。

趨膚效應

電路的導體損耗會隨著頻率的升高而增加。在低頻時,導體上的電流幾乎均勻分布在導體內部;但在高頻時,導體中出現交流或者交變電磁場。此時導體內部的電流分布發生變化,電流主要集中在導體外表的薄層。越靠近導體表面,電流密度越大,而導體內部的電流很小或甚至沒有電流,如圖2。結果導致導體的電阻增加,導體損耗也隨之增加。這一現象稱為趨膚效應(skin effect)。

圖2、趨膚效應及趨膚深度

趨膚效應導致電流分布于導體表面的厚度稱為趨膚深度δ(Skin depth),計算公式如圖2中所示,式中σ是導體的電導率,μ是磁導率,ffreq是所承載信號的頻率。表1列出來銅導體在不同頻率下的趨膚深度。

表1、銅導體在不同頻率下的趨膚深度

頻率(GHz)0.010.51510305080
趨膚深度(um)20.872.952.090.930.660.380.300.23

銅箔類型及粗糙度

通常在PCB基材加工過程中,為使銅箔牢固的粘結到不同的介質材料上,銅箔表面會進行糙化處理以改善其和PCB介電材料的結合力。大多數的PCB基材都會壓合幾種形式的銅箔導體,包括標準電解銅(Electro Deposited copper)、反轉銅(Reverse Treated copper)以及壓延銅(Rolled copper)。如圖3所示,簡單的講,標準ED銅是將硫酸銅溶液里的銅離子電解到慢慢滾動的拋光不銹鋼的滾筒上形成的。與拋光不銹鋼滾筒直接接觸面的銅的表面粗糙度較為平滑,但是和溶液直接接觸面銅卻粗糙的多。壓延銅箔是通過輥軋機碾壓銅塊而得,連續的輥軸碾壓可以得到厚度一致性很好且表面光滑的銅箔。RT銅箔也屬于電解銅,只是將銅箔表面較平滑的面與基材壓合形成。

圖3、不同銅箔生產過程(a. 電解銅;b. 壓延銅)

不同的銅箔具有不一樣的表面粗糙度,對銅箔表面粗糙度的表征有多種測量方法和衡量單位。對于射頻微波應用,Rq或者RMS(均方根)值是一種較為合理的粗糙度表征方式。不同銅箔表面表現出完全不同的顆粒與粗糙度特征,圖4a和4b顯示了兩種典型銅箔標準ED銅與壓延銅的與介質結合面的表面特征;4c列出來幾種常用銅箔的表面粗糙度典型值。可以看到,標準電解銅箔的表面粗糙度較高,典型RMS值是2.2um;而壓延銅的銅箔表面粗糙度很小,典型RMS值僅0.3um。

圖4、銅箔的表面粗糙度(a. 標準電解銅表面特征,b. 壓延銅表面特征;c. 常用銅箔粗糙度值)

不同銅箔表面粗糙度會產生不同的寄生電感,導致銅箔表面阻抗的變化,從而產生不同的導體損耗。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。如圖5,在5mil Rogers RO3003TM的相同電路材料上設計微帶線測試其插入損耗。在頻率<1GHz時,趨膚深度2.09um,大于標準電解銅粗糙度1.6um和壓延銅0.3um,兩種銅箔的電路的插入損耗差并不明顯;而當頻率逐漸升高時,此時標準電解銅與壓延銅的插入損耗表現出顯著的差異。因此,選擇低粗糙度的銅箔有利于降低插入損耗,特別是在微波毫米波頻段趨勢更加明顯。

圖5、基于5mil RO3003TM的同一電路,不同銅箔的插入損耗比較

介質厚度

電路材料的介質厚度也對電路的導體損耗產生影響。圖中數據曲線是通過羅杰斯公司基于Hammerstad和Jenson模型開發的MWI應用軟件仿真得到。該軟件可以準確計算微帶傳輸線的阻抗和插入損耗值,其仿真結果與實測值十分吻合。該程序可以從羅杰斯主頁(www.rogerscorp.com)上免費下載。

圖6、基于RO4835TM的不同厚度下各損耗隨頻率變化

從圖6中可以明顯的看到,基于6.6mil, 10mil, 30mil不同厚度的RogersRO4835TM熱固性材料上的50?微帶線,導體損耗在6.6mil時最大,30mil最小;從而導致相同頻率的電路總的插入損耗值也隨著介質厚度增加而減小。

這種由于厚度不同引起的導體損耗變化的原因一方面是由于不同厚度下的相同50?微帶線的線寬不同導致。另一方面銅箔粗糙度在不同厚度的相同材料上對導體損耗的影響也存在差異。

為進一步驗證銅箔粗糙度對插入損耗在不同厚度上的影響,選取Rogers RO3003TM電路材料設計50?微帶線進行研究測試。如圖7所示,選取5mil和20mil的RO3003TM材料的標準ED銅和壓延銅上分別制作成相同電路。可以看到在25GHz時,基于5mil厚度的標準ED銅和壓延銅電路插入損耗之間的差為0.35dB/inch;而基于20mil厚度的標準ED銅和壓延銅電路插入損耗之間的差異僅為0.1dB/inch。由于在相同材料厚度上的50?微帶線具有相同的導體寬度,由線寬引入的導體損耗是相同的。所以在相同材料上,銅箔粗糙度在薄的介質材料上的插損影響比在厚的材料上更大,在這個例子中增加了0.25dB/inch。

因此,選取更厚的電路材料可以降低相同銅箔粗糙度條件下對于插入損耗的影響。但越厚材料會有越寬的線寬,對于微波及毫米波的電路應用,較寬的線寬容易產生不必要的雜散信號,影響信號的傳輸。因此需要對材料厚度及銅箔粗糙度進行權衡。

圖7、基于RO3003TM的不同厚度下銅箔對插入損耗的影響

表面處理工藝

最終的電路都需要經過電路加工形成。電路的插入損耗也受電路加工中其他附加材料的影響,如電路的不同表面處理工藝。電路的表面處理對PCB電路加工是非常必要的。它不僅能夠為元件焊接提供光滑可焊的表面,同時也為PCB的銅導體提供了保護。然而,大部分PCB表面處理材料的導電性都比銅箔的導電性差。導電性越差產生的導體損耗越高,從而電路的插入損耗也越大,特別是對寬帶、高頻電路更加明顯。

在PCB的表面處理工藝中,常用的幾種表面處理工藝包括阻焊油墨(Solder mask)、有機保焊膜(OSP)、化學沉錫、化學沉銀、化學鎳金(ENIG)等。阻焊油墨是一種高損耗的材料,其損耗因子為0.02;同時,阻焊油墨通常具有較高的吸水率,它也將導致電路插入損耗的上升。化學沉銀是一個例外,銀是一種良導體,但由于價格昂貴作為表面處理通常是非常薄的一層,基本不會引起損耗的增加。化學鎳金中由于鎳的導電性比銅差,且由于趨膚效應,在高頻頻段時電流將沿著導體的表面傳輸,導致電流將完全覆蓋鎳層和薄金層,如圖8a。從而使得ENIG表面處理的電路會比使用裸銅的電路的插入損耗大很多。圖8b給出了基于5mil RT/duriod®6002材料1/2oz壓延銅的不同表面處理工藝相同微帶線電路的插入損耗實測數據比較。

圖8、表面處理工藝對插損的影響(a。 化學鎳金剖面圖,b。 多種不同表面工藝的插損比較)

電路結構

射頻電路工程師往往需要選用某種PCB電路技術,如微帶線、帶狀線或接地共面波導(GCPW)等來進行信號的傳輸。不同的電路傳輸技術對于最終的插入損耗也存在差異。微帶線是最為簡單的一種傳輸技術,但在高頻毫米波頻段時微帶線由于輻射損耗而導致插損顯著增加。帶狀線是用于微波毫米波頻段的PCB傳輸線的一個極好選擇,但電路加工過程稍顯復雜。GCPW傳輸線技術的是中間導體、兩側接地面的電路結構,這種結構使其比微帶線在毫米波頻段有較小的輻射損耗,電路加工又比帶狀線簡單。

圖9顯示了基于20mil Rogers RO4835TM缅甸玉和国际材料的微帶線與GCPW緊耦合電路均為裸銅時的插入損耗仿真結果。當頻率較低時,微帶線與GCPW輻射損耗都很小,而GCPW緊耦合電路由于導體線寬更窄導致更高的導體損耗,因此微帶線相比GCPW有更低的插入損耗值;當頻率較高時,微帶線的輻射損耗顯著增加,而GCPW的輻射損耗仍然很低,此時GCPW總的插入損耗就更低。

缅甸玉和国际圖9、微帶線與緊耦合GCPW傳輸線插損仿真比較

對于選定的電路材料,銅厚不同也會導致GCPW傳輸線的插入損耗存在差異,這是因為GCPW結構中電磁場分布的原因。在GCPW電路結構中,電場既從頂層中心導體指向底層地面,也會從中心導體側壁指向頂層的接地面來形成回流路徑。當選用的銅箔更厚時,指向側壁的電場路徑將經由更多空氣到達兩側接地面。相比于介質,空氣損耗很低,因此此時相同電路下厚銅GCPW電路的總的損耗相對薄銅更小。同樣,GCPW的接地間距s的大小也影響電路的插入損耗值。盡管接地間距小時利用空氣更多,但此時導體寬度會變窄,導致導體損耗增加,結果相同電路下的總的損耗會增加。圖10顯示了基于10mil RO4835TM缅甸玉和国际相同銅箔、不同銅厚和接地間距下的GCPW傳輸線的電路結構剖面圖,并比較了它們的插入損耗情況。

圖10、GCPW接地間距和材料銅厚的插入損耗比較

當在GCPW電路導體表面應用表面處理工藝時,其插入損耗的變化與微帶線有所不同。以ENIG表面處理為例,如上節所述,微帶線的插入損耗會由于ENIG表面處理而增加。基于8mil RO4003C標準ED銅材料上設計的50?微帶線,其應用ENIG的電路在50GHz的插入損耗比裸銅是高約0.7dB;而基于同樣電路材料設計的50? GCPW電路,其ENIG的電路在50GHz是插入損耗比裸銅高達1.1dB,如圖11所示。應用ENIG的GCPW電路具有更高的插損不僅是由于如微帶線一樣,導體表面的鎳層導致導體損耗的增加;同時電場回流路徑由中心導體至頂層接地面時會再經由接地面表面的鎳層,進一步導致了插損的增加。

圖11、微帶線與GCPW,裸銅與表面處理ENIG的插入損耗

結論

缅甸玉和国际因此,電路的插入損耗受到多方面因素的影響。選擇更低介質損耗和低銅箔表面粗糙度的電路材料有利于降低電路總的插入損耗。選擇較厚的電路材料有利于減小相同銅箔表面粗糙度條件下對插入損耗帶來的影響;但如果電路應用于毫米波頻段時,就需要權衡介質厚度導致線寬更寬引起的雜散和輻射損耗的影響。同時,在電路設計和加工時,不同的電路結構以及使用不同的電路表面處理方式都將對電路總的插入損耗產生影響。全面考慮電路總的插入損耗的影響因素,選擇合適電路材料、設計和加工可將電路的插入損耗降至最小,實現最優的電路設計。

作者:羅杰斯公司 技術市場工程師 袁署光

參考文獻

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