Применений связи СВЧ и миллиметрового диапазона становится все больше — например сети 5G. В дополнение к этому их потенциальные области использования включают: спутниковую связь, передачу HD-видео, очки виртуальной реальности, автономные транспортные средства и сканеры тел в аэропортах. Есть также много применений для них в медицине и армии. Конструкции, материалы и технологии изготовления печатных плат в этих схемах обязательно должны учитывать специфику миллиметровых волн. В противном случае устройства, частью которых они будут, могут работать некорректно.
Сигналы эти представляют собой волны EHF (Extremely High Frequency) с частотами в диапазоне от 30 до 300 ГГц и длиной от 1 до 10 мм. Этот диапазон очень широк и до сих пор используется только в небольшой части. Преимуществом передачи в этих частотах является высокая пропускная способность. Кроме того, здесь используются небольшие направленные антенны — например, полуволновой диполь для частоты 900 МГц имеет длину 15 сантиметров, а для 60 ГГц — всего 2,5 миллиметра. Небольшой размер приемопередатчиков является хорошим преимуществом в мобильных устройствах.
Материалы и конструкции печатных плат
Но миллиметровые волны ограничены их коротким радиусом действия, затуханием в воде (дождь, туман, влажность) и в атмосфере, что еще больше сокращает дальность передачи. Поглощение излучения сильное, особенно на частоте 60 ГГц. Однако малый радиус действия и затухание сигнала можно расценивать и как преимущество, поскольку благодаря этому устройства, работающие поблизости, не будут мешать друг другу.
Чтобы иметь возможность использовать их отличительные особенности на практике, важно знать о влиянии материалов и конструкции печатных плат на миллиметровые волны. Это позволяет подобрать материал и параметры с наиболее выгодным набором характеристик.
Ограничения микрополосковых линий
Причиной проблем на очень высоких частотах является открытая структура микрополосковых линий, что также является их преимуществом в силу того, что они легко доступны физически. Правда следует помнить что в линиях передачи этого типа электромагнитные волны распространяются не только в дорожках и диэлектрической подложке, но и частично в окружающей среде – в воздухе. В результате на результирующую диэлектрическую проницаемость влияет малая диэлектрическая проницаемость воздуха, что также необходимо учитывать при моделировании платы.
Поскольку часть энергии излучается наружу, микрополосковые схемы имеют характеристики антенны. Это приводит к нежелательным потерям энергии, которые увеличиваются с увеличением частоты, что создает проблемы для разработчиков печатных плат в диапазоне миллиметровых волн. Их можно уменьшить, используя материалы с более высоким значением диэлектрической проницаемости, но это делается за счет большего (по сравнению с воздухом) затухания распространения электромагнитных волн и вызывает фазовый сдвиг сигнала. Как правило, в диапазоне миллиметровых волн используются материалы с наименьшим значением диэлектрической проницаемости.
Потери излучения также можно уменьшить путем изготовления микрополосковых линий на более тонких платах, но они более чувствительны к влиянию шероховатости поверхности меди, чем более толстые. Следует также отметить, что микрополосковые линии предъявляют высокие требования к допускам на дорожку и текстолит, возрастающие с частотой, и поэтому чувствительны к изменениям в производственном процессе.
SIW и GCPW на миллиметровых волнах
В полосковых линиях, которые можно рассматривать просто как плоский коаксиальный кабель с проводником, окруженным диэлектриком и заземляющими пластинами, электромагнитная волна распространяется в печатной плате. Благодаря этому их можно моделировать в соответствии с характеристиками материалов схемы, без необходимости учитывать эффекты распространения в воздухе. Но этот тип линии передачи не часто используется в миллиметровом диапазоне волн из-за сложности соединения разъемов.
SIW-волноводы для миллиметрового диапазона сложны в реализации, поскольку для них требуются материалы с минимальными отклонениями диэлектрической проницаемости и точные отверстия с малыми допусками на диаметр. Также волноводы GCPW в этой полосе частот чувствительны к несовершенствам материалов (диэлектрической проницаемости) и конструкции печатных плат — например, отклонения формы и толщины дорожек могут изменить фазу сигнала.
Требования к диэлектрической проницаемости
В миллиметровом диапазоне волн некоторые параметры материалов печатных плат особенно важны. Помимо диэлектрической проницаемости и коэффициента рассеяния, это: толщина диэлектрического материала, степень влагопоглощения и термический коэффициент диэлектрической проницаемости. В диапазоне миллиметровых волн критична даже шероховатость поверхности меди.
Что касается диэлектрической проницаемости, то предпочтительны материалы с более низкими значениями, в основном от 2 до 4. Это связано с тем, что на более высоких частотах также трудно обеспечить требуемое сопротивление линии передачи при сохранении допустимых габаритов. Чем выше диэлектрическая проницаемость, тем уже должны быть дорожки при заданном сопротивлении на данной частоте. Например, в случае микрополосковой линии 50 Ом на плате толщиной 5 мил (0,127 мм), если диэлектрическая проницаемость выбранной подложки равна 2,2, необходимая ширина дорожки будет составлять почти 15 мил (0,381 мм). Но если остановимся на плате с более высоким значением этого параметра — например, 4,5 – ширина микрополосковой линии будет меньше 9 мил (0,229 мм). Стоит отметить, что в миллиметровом диапазоне волн даже более важным, чем значение диэлектрической проницаемости, является ее однородность – различия этого параметра в пределах печатной платы вызывают изменения сопротивления как микрополосковых линий, так и полосковых линий и волноводов.
Температурная зависимость
Изменение диэлектрической проницаемости материалов печатных плат также является проблемой в диапазоне миллиметровых волн, потому что в этом диапазоне частот изменения такой величины изменяют фазу сигналов, особенно с увеличением частот. Это особенно нежелательно для фазомодулированных систем связи и других, работа которых зависит от фазы. Диэлектрическая проницаемость зависит от состава платы и устойчивости к различным условиям окружающей среды, таким как температура и влажность. Первая характеризуется термическим коэффициентом диэлектрической проницаемости, а вторая степенью водопоглощения.
В случае печатных плат в миллиметровом диапазоне волн особое внимание следует уделить составу, так как разные материалы имеют разную чувствительность к температурным изменениям. Например, FR4 и PTFE имеют высокий термический коэффициент диэлектрической проницаемости и, кроме того, они не имеют достаточно однородной структуры, необходимой для поддержания постоянного сопротивления на частотах миллиметрового диапазона.
Альтернативой являются текстолиты, характеризующиеся низким термическим коэффициентом диэлектрической проницаемости, например ПТФЭ с особым типом керамических наполнителей, благодаря чему их диэлектрическая проницаемость остается практически неизменной в широком диапазоне температур.
Толщина дорожек и платы
В идеале материалы для схем миллиметрового диапазона должны иметь и низкое влагопоглощение. Чем больше воды они поглощают, тем больше диэлектрическая проницаемость и больше изменения сопротивления цепи и фазового угла.
Чтобы свести к минимуму потери на этих более высоких частотах, в цепях миллиметрового диапазона следует использовать материалы печатных плат с минимально возможным коэффициентом рассеяния. Качество поверхности меди также важно в этом диапазоне частот, так как шероховатая обработка приводит к более высоким потерям в проводнике. Толщина слоя проводника важна из-за того, что скин-эффект усиливается на частотах миллиметровых волн. Глубина проникновения, то есть расстояние от поверхности дорожки, на котором напряженность электрического поля снижается примерно до 37% от своего максимального значения, быстро уменьшается с увеличением частоты. Например, на частоте 100 МГц это около 6,6 мкм, на частоте 10 ГГц — около 0,66 мкм, а на частоте 100 ГГц — всего 0,2 мкм. Это также объясняет, почему так важно иметь как можно меньше шероховатости меди.
Более тонкие платы более предпочтительны. Как правило, в диапазоне миллиметровых волн рекомендуются толщина 10 мил или меньше (обычно до 2 мил), поскольку они позволяют избежать нежелательных эффектов распространения и резонансов. Это, конечно, влечет за собой повышенные требования к допуску и повторяемости производственных процессов.
В общем выбор материалов и конструкции печатной платы для миллиметрового диапазона требует компромисса между выполнимостью конструкции и низкими потерями при сохранении целостности сигнала.
