ITEQ射頻介質(zhì)材料：支持5G和6G天線設(shè)備

精確表征頻率相關(guān)的非均質(zhì)介質(zhì)材料特性是優(yōu)化設(shè)計高性能及高性價比PCB天線的關(guān)鍵。這些天線將用于大量5G、6G通信預(yù)測設(shè)備。IT-88GMW是為了提高PCB層壓板上互連和無源元件的Q因子而采用緊密編織薄玻纖增強(qiáng)的高階樹脂系統(tǒng)。

介質(zhì)材料的電氣和熱機(jī)械特性主要決定了高速電路的性能。因此，推薦實施表征方法，以提供在實際應(yīng)用中材料性能的相關(guān)信息。與其通過假設(shè)信號在最佳性能方向上的傳播，將表征局限于僅獲得特定頻率下的標(biāo)稱數(shù)據(jù)，不如分析材料在不同方向和位置上的特性。這樣可使設(shè)計師能夠更清楚地了解實際中預(yù)期的變化量，而不是通常假設(shè)的簡化設(shè)計周期的理想條件。

選擇用于高速、高頻天線設(shè)計的層壓板材料時，復(fù)合材料的屬性是決定天線貼片和互連網(wǎng)絡(luò)能否滿足損耗、時延和阻抗匹配等要求的關(guān)鍵參數(shù)。PCB層壓板通常有兩種制造方法:

·用樹脂浸漬和增強(qiáng)玻纖織物。

·用無紡玻纖或替代填加劑增強(qiáng)樹脂系統(tǒng)，以控制熱膨脹系數(shù)。

除了最佳電氣性能外，高速、高頻應(yīng)用介質(zhì)材料的設(shè)計還應(yīng)具有更好的熱可靠性、尺寸穩(wěn)定性和低吸濕性。這些系統(tǒng)的核心樹脂基體已從標(biāo)準(zhǔn)環(huán)氧樹脂發(fā)展為聚烯烴樹脂，其表現(xiàn)出類似PTFE基材所需具備的電氣性能，但也存在低可靠性風(fēng)險。圖1簡要說明了這些樹脂化學(xué)性能目標(biāo)。

圖1：樹脂化學(xué)物質(zhì)介電屬性的發(fā)展

除了介電特性外，導(dǎo)體損耗（由于電阻率和趨膚深度）是層壓板選擇的重要標(biāo)準(zhǔn)。銅的表面粗糙度在5G、6G通信所需的毫米波頻率下觀察到的衰減增加中起著重要作用。就這一點而言，銅的供應(yīng)商已經(jīng)響應(yīng)了行業(yè)需求，大大提高了表面粗糙度，最大限度地減少趨膚效應(yīng)并提高剝離強(qiáng)度，以促進(jìn)介質(zhì)材料與處理后銅箔的最佳附著。圖2顯示了銅表面形貌的改善。

圖2:顯示銅粗糙度的Rz測量值

PCB樣品說明

ITEQ Corporation和INAOE合作設(shè)計了兩種測試載體，以研究貼片天線結(jié)構(gòu)隨空間材料不均勻性和毫米波頻率而變化的Dk和Df的敏感性。表1所示的4層混合材料疊層采用ITEQ的IT-88GMW高性能射頻材料設(shè)計；芯材為5mil，由1/2盎司超低粗糙度銅制成。

表1:為天線選擇的射頻材料屬性

該關(guān)鍵層由非功能性的50密耳標(biāo)準(zhǔn)IT-180高Tg材料芯材和半固化片支撐，以提高剛度，并最大限度地減少由于較薄的射頻級性能介質(zhì)芯材翹曲或彎曲而引起的測量誤差。疊層細(xì)節(jié)、微帶阻抗目標(biāo)、表面涂層和層尺寸如圖3所示。

圖3:樣品的疊層結(jié)構(gòu)

大多數(shù)PCB層壓板的成分不均勻會導(dǎo)致材料復(fù)介電常數(shù)的局部變化，這反過來又會影響在高頻下運行的互連性能。水平面的這些局部變化主要是由纖維編織引起的，并且已被證明會導(dǎo)致傳輸線互連所表現(xiàn)出的周期性負(fù)載效應(yīng)。綜合研究通過嚴(yán)格的數(shù)值和圖形方法預(yù)測了這些共振發(fā)生的頻率，該方法考慮了纖維編織束和走線角度（相對于束）之間的間距。

圖4:用于測試載體制造的PCB序列化布局

為了研究這種周期性負(fù)載現(xiàn)象對貼片天線的影響，使用以下布線Ф角（0°、3°、7°、10°）來確定微帶結(jié)構(gòu)相對于編織緯線的方向。圖2給出了制造的PCB結(jié)構(gòu)的序列化布局。

圖5:貼片天線測量

每個序列化樣片都具有一端（用于射頻貼片）和兩端（用于單端微帶線）端接的傳輸線段，并帶有接地信號接地(GSG)焊盤，因此可以使用200μm間距的共面射頻探針執(zhí)行高達(dá)103GHz的高頻S參數(shù)測量。測試結(jié)構(gòu)如下：

·4組5mm、15mm和30mm長的微帶線，方向分別為0°、3°、7°和10°。

·2組天線貼片，每個貼片的方向為0°、3°、7°和10°，由5mm和10mm微帶線饋電。

測量結(jié)果和總結(jié)

在IT-88GMW材料上布線的天線與目標(biāo)共振頻率的標(biāo)準(zhǔn)偏差約為0.17。諧振幅度在所有旋轉(zhuǎn)位置顯示出最佳反射系數(shù)（最大為-36.3dB）（注意：對于高效貼片天線，最小所需增益為-10dB）。與數(shù)據(jù)表值(~3.0Dk)相比，IT-88GMW顯示出1.34%的Dk變化，反映了整個旋轉(zhuǎn)度。

從這項調(diào)查中獲得的數(shù)據(jù)表明，IT-88GMW是一種為W波段頻率天線設(shè)計的最佳覆銅板材料。

審核編輯：湯梓紅