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自动驾驶汽车是当前的研究热点,它可以帮助驾驶员和行人避免潜在的致命事故,要求具有高可靠性,因此也要求其组成电路必须具有高可靠性。毫米波(mmWave)雷达正是因为其具有结构紧凑、环境探测灵敏度高等诸多优点,为自动驾驶中的目标检测提供了可靠的、精确的解决方案。在76至81GHz频率下的商用毫米波雷达系统中,串联馈电的微带贴片天线因其易于设计、结构紧凑、能够大批量、低成本【1】制造而成为首选。频率越高波长越小,因此与低频相比,工作于毫米波频率下的传输线和天线尺寸会更小。为了确保车载雷达的理想性能,需要研究PCB对传输线和微带贴片天线的影响。对于长时间工作在室外环境下(受温度和湿度影响)的毫米波频率电路【2】,在选择PCB线路层压板时,首要考虑的是材料性能指标的一致性。但是,构成层压板的铜箔、玻璃纤维增强材料、陶瓷填料等材料在高频下都会对指标的一致性产生较大影响。
本文主要研究PCB结构对毫米波雷达性能的影响。大多数PCB层压板的介质层通常是通过在玻璃纤维布上涂布聚合树脂形成的。在毫米波频率下,玻璃纤维布对材料性能一致性的影响非常明显,这是因为玻璃束的宽度与传输线的宽度相当。此外,当采用较薄(例如,100μm)的PCB线路层压板来设计微带天线时,玻璃编织布会引起天线性能的显著变化并降低加工成品率。
PCB层压板的组成
PCB层压板通常是将玻璃纤维布与聚合树脂组合形成介质层,再在其两侧覆盖铜箔制成。玻璃布的典型介电常数(Dk)较高,约为6.1,而低损耗聚合物树脂的介电常数Dk在2.1-3.0之间,这样在较小的区域内Dk有一定的差异。图1显示了层压板中玻璃编织纤维的微观顶视图和横截面视图。“指节交束区(Knuckle-Bundle)”上方的电路由于玻璃纤维含量较大而具有较高的Dk,而“束开口区(Bundle-Open)”上的电路由于树脂含量较大而具有较低的Dk。此外,玻璃编织布的特性受到玻璃织物的厚度、织物之间的距离、织物的扁平化方式以及每个轴的玻璃含量等多个因素影响。
图1 玻璃纤维布层压板的微观顶视图和横截面图
在毫米波应用的薄层压板中,经常用到两种典型的薄玻璃布编织样式,分别是1080型和1078型,如图2所示。1080型标准编织采用了不平衡玻璃布,该型号的玻璃布其中一个轴的玻璃含量高于另一个轴。与1080型编织布相比,1078型开纤的玻璃编织具有更均匀的玻璃纤维平面,因此整个层压板上的Dk变化较小。与使用多层玻璃布层压板相比,单层玻璃布层压板的Dk值变化更为显著。另外,具有陶瓷填料的层压板材料可以减少因玻璃布编织方式不同而造成的Dk变化。
图2 1080型(开口不平衡编织)和1078型(开纤)玻璃布结构的微观视图
对传输线电路的影响
图3 采用GCPW信号馈入的微带传输线
对天线性能的影响
图4 加工在RO4835和RO4830层压板上的串联馈电微带贴片阵列
图5 RO4835层压板上与“指节交束区”以及“束开口区”对准的天线,以及RO4830层压板上的天线样品
图6 在RO4835层压板的“指节交束区(KB)” 以及“束开口区(BO)”天线样品的测量结果与仿真结果对比情况
图7 RO4830层压板上天线样品的测量结果与仿真结果的对比情况
结论
PCB层压板的结构会影响传输线和天线性能。玻璃布的构造方式也会改变层压板上的介电常数,从而会降低产品性能并且影响产品的良品率。与RO4835层压板相比,用RO4830层压板加工的天线其指标性能一致性更好。天线性能和加工良品率的提高主要归因于层压材料的结构,即:扁平开纤的玻璃编织、较少的玻璃含量(导体远离玻璃纤维)、较厚的基材等。天线性能的提高同样也与该材料的电性能有关,就如RO4830层压板,具有较低的介电常数和较低的损耗角正切值。因此,在较小波长的毫米波频率雷达应用中,用罗杰斯RO4830层压板加工出来的天线性能和一致性优于用RO4835层压板加工出来的天线性能。
参考文献
1. R. Garg, P.Bhartia, I.Bahl, A. Ittipiboon, “MicrostripAntenna Design Handbook,” Artech House, 2001.
2. J. Coonrod, “Characterizing Circuit Materials at mmWaveFrequencies,” Microwave Journal, Vol 62. Edition 5, May 2019.
3. C. A. Balanis, “Antenna Theory: Analysis and Design,”4th Edition, Chapter 17, Wiley, 2016.
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