PCB기술 - 밀리미터파 레이더에 대한 PCB 구조의 영향

일반적인 복합 인쇄 회로 기판(PCB)의 유전층은 대부분 유리 섬유를 필러로 사용합니다. 그러나 유리 섬유의 특수 편조 구조로 인해 PCB의 국부 유전 상수(DK)가 변경됩니다. 특히 밀리미터파 주파수에서 유리 편조 효과는 얇은 라미네이트보다 더 분명하며 DK의 국부적 이질성은 RF 회로 및 안테나 성능의 명백한 변화로 이어질 것입니다. 전송선 성능에 대한 PCB 구조의 영향은 100μM 두께의 유리 편조 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 라미네이트를 사용하여 연구되었습니다. 유리 편조 구조의 여러 유형에 따라 PCB 기판의 유전 상수는 0.01과 0.22 사이에서 변동했습니다. 서로 다른 유리 편조 구조가 안테나 성능에 미치는 영향을 연구하기 위해 Rogers의 상용 라미네이트 ro4835 및 ro4830 열경화성 라미네이트에 직렬 급전 마이크로스트립 패치 어레이 안테나를 제작했으며, 실험 결과는 제작된 안테나의 전기적 특성을 보여줍니다. 일반 공차에 따른 ro4830 라미네이트를 사용하면 계산된 값과 더 일치하고 변화가 더 적습니다. 반사 계수(S11 < – 10dB)와 손실 이득 성능이 좋습니다.

자동 조종 장치은 현재 뜨거운 연구 주제입니다. 운전자와 보행자가 잠재적인 치명적인 사고를 방지할 수 있으며 높은 신뢰성이 필요합니다. 따라서 회로의 신뢰성이 높아야 합니다. 컴팩트한 구조와 환경 감지의 높은 감도로 인해 mmwave 레이더는 자동 주행에서 표적 감지를 위한 안정적이고 신뢰할 수 있는 솔루션을 제공합니다. 76-81GHz의 상용 밀리미터파 레이더 시스템에서 직렬 공급 마이크로스트립 패치 안테나는 쉬운 설계, 컴팩트한 구조, 대량 생산 및 저렴한 비용으로 인해 대중화되었습니다. 주파수가 높을수록 파장이 작아집니다. 따라서 저주파에 비해 밀리미터파 주파수에서 작동하는 전송선과 안테나의 크기가 작아집니다. 차량 탑재 레이더의 이상적인 성능을 보장하기 위해서는 PCB가 전송 라인과 마이크로스트립 패치 안테나에 미치는 영향을 연구할 필요가 있다. 실외 환경(온도 및 습도의 영향을 받는)에서 장시간 작동하는 밀리미터파 주파수 회로[2]의 경우 PCB 회로 라미네이트를 선택할 때 재료 성능 지수의 일관성이 주요 고려 사항입니다. 그러나 라미네이트를 구성하는 동박, 유리 섬유 강화 재료, 세라믹 필러 및 기타 재료는 고주파에서 지표의 일관성에 더 큰 영향을 미칩니다.

밀리미터파 레이더의 응용

이 논문은 주로 PCB 구조가 밀리미터파 레이더의 성능에 미치는 영향을 연구한다. 대부분의 PCB 라미네이트의 유전층은 일반적으로 유리 섬유 천에 고분자 수지를 코팅하여 형성됩니다. 밀리미터파 주파수에서 유리 다발의 폭이 전송선의 폭과 같기 때문에 재료 특성의 균일성에 대한 유리 섬유 천의 영향은 매우 분명합니다. 또한 얇은(예: 100μm) PCB 라인 라미네이트를 사용하여 마이크로스트립 안테나를 설계하는 경우 유리 직물은 안테나 성능에 상당한 변화를 일으키고 처리 수율을 감소시킵니다.

라미네이트의 구성

라미네이트는 일반적으로 유리 섬유 천과 고분자 수지로 만들어 유전층을 형성한 다음 양면을 동박으로 덮습니다. 일반적인 DK(유전율)는 Glass Cloth가 6.1 정도로 높지만 저손실 고분자 수지의 유전율은 2.1~3.0 사이로 작은 면적에서 DK에 일정한 차이가 있다. 그림 1은 라미네이트에 있는 유리 편조 섬유의 미세한 평면도와 단면도를 보여줍니다. 너클 번들 위의 회로는 높은 유리 섬유 함량으로 인해 더 높은 DK를 갖는 반면 번들 개방 회로는 더 높은 수지 함량으로 인해 더 낮은 DK를 갖습니다. 또한 유리직물의 물성은 유리직물의 두께, 직물간 거리, 직물의 평탄화 방법 및 각 축의 유리함량에 의해 영향을 받는다.

얇은 유리 천의 두 가지 일반적인 직조 패턴인 1080 및 1078은 그림 2와 같이 밀리미터파 응용 분야의 얇은 라미네이트에 자주 사용됩니다. 불균형 유리 천은 1080 표준 직조에 사용됩니다. 한 축의 유리 함량이 다른 축의 유리 함량보다 높습니다. 1080 직조 직물과 비교하여 1078 개방형 유리 섬유 편조는 유리 섬유 평면이 더 균일하므로 전체 라미네이트에서 DK의 변화가 적습니다. 다층 유리포 적층체와 비교하여 단층 유리포 적층체의 DK 값의 변화가 더 크다. 또한 세라믹 필러가 포함된 라미네이트 재료는 유리 천의 다양한 직조 방법으로 인한 DK 변화를 줄일 수 있습니다.

1080(개방형 불균형 편조) 및 1078(개방형 섬유) 유리 천의 구조 현미경 보기

전송선로 회로에 대한 영향

이 테스트 실험은 1mm 종단 커넥터를 사용하는 마이크로스트립 전송 라인 회로를 사용합니다. 커넥터는 먼저 50옴 접지된 동일 평면 도파관(GCPW)에 연결되고 임피던스 변환기를 통해 고임피던스 마이크로스트립 전송 라인으로 변환됩니다. 그림 3에서 볼 수 있듯이 마이크로스트립 전송 라인의 길이는 2인치로 실험 회로에서 유리 편조 구조의 효과를 테스트할 수 있습니다. 회로는 유리 편조 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 라미네이트로 만들어지며 캘린더링된 구리와 단일 유리 천이 사용됩니다. 다른 유리 편조 구조의 효과를 비교하기 위해 1080 유리 직물이 포함된 PTFE 테플론, 1078 유리 직물이 포함된 PTFE 폴리테트라플루오로에틸렌 및 1080 유리 직물로 채워진 비 PTFE 라미네이트인 세 가지 다른 PCB 라미네이트에 전송선 회로가 만들어졌습니다. 처리된 회로를 주의 깊게 확인하고 테스트에 적합한 전송 라인을 선택하고 회로의 진폭 및 위상각 특성을 측정합니다. 적층체의 유전 상수는 위상각(확장된 위상 값), 군지연(주파수에 따라 변하는 위상각 기반) 및 전파 지연(위상각에 따라 계산됨)의 세 가지 매개변수에 의해 결정됩니다.

안테나 성능에 미치는 영향

직렬 공급 마이크로스트립 패치 안테나 어레이는 밀리미터파 자동차 레이더의 일반적인 안테나입니다. 유리 섬유 효과가 안테나 성능에 미치는 영향을 연구하기 위해 1 × 4 직렬 급전 마이크로스트립 패치 안테나가 설계되었으며 작동 주파수 범위는 76-81GHz입니다[3]. 그림 4에서 볼 수 있듯이 안테나는 ro4835와 ro4830이라는 두 개의 서로 다른 유리 천 라미네이트로 만들어졌습니다. 안테나는 결합 효과를 연구하기 위해 접지된 인접 요소로 구성됩니다.

rogers ro4835 및 rogers ro4830 라미네이트에서 제작된 시리즈 공급 마이크로스트립 패치 어레이

10GHz에서 라미네이트의 유전 상수는 3.48이고 손실 탄젠트는 0.0037입니다(IPC TM-650 2.5.5.5 표준 테스트 기준). 또한, ro4830 라미네이트의 유전율은 3.24이고, 손실 탄젠트는 0.0033입니다(ipctm-650 2.5.5.5 Standard Test 기준). Ro4835 라미네이트는 1080 표준 직조된 불균형 유리 천으로 만들어지며 세라믹 필러로 강화됩니다. 대조적으로, ro4830 라미네이트는 1035 평면 개방형 유리 섬유 편조 및 더 작은 입자로 채워진 세라믹으로 강화되었습니다. 표 3은 ro4835 및 ro4830을 기반으로 하는 라미네이트의 특성을 추가로 비교합니다.