如何為低PIM PCB天線選擇合適的電路板材料

盡管天線具有不同的形狀和尺寸，但印刷電路板(PCB)天線形式仍能夠在較大程度減小尺寸的情況下保持性能不發(fā)生變化。當(dāng)然，天線(包括基于PCB的天線)必須在設(shè)計(jì)和加工時(shí)確保其具有最小的無源互調(diào)(PIM)指標(biāo)，才能在現(xiàn)在擁擠的信號環(huán)境中發(fā)揮其最佳性能。

對于PCB天線，盡管低PIM指標(biāo)主要與天線設(shè)計(jì)相關(guān)，但電路板材料對PCB天線的整體PIM性也有很大影響，所以低PIM天線也需要考慮怎樣選擇RF/微波電路材料。

PIM是一種非線性的類二極管效應(yīng)，當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)信號混合時(shí)(例如來自不同的發(fā)射機(jī))，就會(huì)產(chǎn)生不必要的諧波信號。當(dāng)這些額外產(chǎn)生的諧波信號具有足夠高的電平，并且落在接收機(jī)的可接收頻率范圍內(nèi)時(shí)，那么，就可能會(huì)引起問題，干擾接收機(jī)帶內(nèi)信號的接收正常。雖然PIM不會(huì)對每一種應(yīng)用都產(chǎn)生影響，但卻可能干擾無線通信系統(tǒng)的正常工作，尤其是在其試圖接收較低電平信號時(shí)。

PIM可以發(fā)生在任何兩種不同金屬的連接點(diǎn)或接口處，例如連接器和電纜組件的連接處，天線和天線饋源的連接處。接觸不良的連接器，內(nèi)部生銹或氧化的連接器也可能會(huì)導(dǎo)致PIM。PCB材料也可能是PIM的來源，它可能來自于材料本身，也可能來自饋電點(diǎn)。因此，通過了解不同的電路板材料的參數(shù)與PIM之間的關(guān)系，將有助于選擇合適的材料，而不至于造成PCB天線的PIM性能問題。

PCB天線

以PCB形式設(shè)計(jì)的高頻天線可以有多種不同結(jié)構(gòu)，從簡單的偶極子，到基于環(huán)形諧振腔和羅特曼透鏡的復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。其中一種比較受歡迎的PCB天線就是微帶貼片天線，它可以在給定的頻率范圍內(nèi)設(shè)計(jì)出簡單緊湊的天線構(gòu)結(jié)(如圖1)。許多產(chǎn)品利用多個(gè)PCB貼片天線或諧振結(jié)構(gòu)，來實(shí)現(xiàn)波束成形網(wǎng)絡(luò)(BFN)或相控陣天線，并通過電調(diào)方式來控制雷達(dá)或通信系統(tǒng)中PCB天線的振幅，相位和方向。

在毫米波頻率下，緊湊型的微帶PCB天線也越來越受到關(guān)注。例如用于汽車電子安全系統(tǒng)的77GHz高級駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)，就以這種天線實(shí)現(xiàn)盲點(diǎn)檢測，自動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)和防碰撞等功能。由于這種系統(tǒng)的信號功率較低，ADAS接收機(jī)就必須依靠其高靈敏度，可靠地檢測從行人和其他車輛等目標(biāo)反射的雷達(dá)回波。

圖1：微帶貼片天線結(jié)構(gòu)是大型天線陣列的基本組成。

電路層壓板的介電常數(shù)(Dk)是許多工程師在設(shè)計(jì)微帶貼片天線時(shí)首先要考慮的因素。電路板材料的Dk值對電路尺寸的影響，在表1中的四個(gè)例子中有詳細(xì)的描述，結(jié)果顯示對給定頻率的微帶貼片天線，貼片尺寸隨著Dk值的增加而縮小。

該表是通過MWI-2017軟件計(jì)算完成， 表中微帶貼片天線的尺寸，如長度(L)和寬度(W)，可以利用以下的簡單方程計(jì)算得到：

W=(c/2fr)[2/(Dkeff +1)]0.5

L=λ/[2(Dkeff)0.5] - 2ΔL

其中：

Dkeff=微帶電路的有效介電常數(shù);

λ=基于微帶電路的波長;

fr=貼片輻射元件的諧振頻率;

c=自由空間中的光速;

ΔL=由于邊緣場引起的貼片延伸長度。

微帶貼片天線單元在發(fā)射時(shí)將電磁能量輻射到自由空間，在接收時(shí)將電磁能量傳輸?shù)竭B接的電路上(例如，接收器)。但貼片PCB天線的一個(gè)重要組成單元，饋線構(gòu)成了另一個(gè)重要部分。饋線在微帶電路和輻射貼片之間，起到傳輸和接收電磁能量的橋梁作用。理想情況下，貼片應(yīng)呈現(xiàn)高輻射，而饋線應(yīng)呈現(xiàn)低輻射，從而實(shí)現(xiàn)能量從電路到貼片的有效傳遞。

圖2展示了可用于微帶貼片天線的四種不同饋線方式，分別為：松耦合饋電，底層饋電(常用于多層電路中，饋線在貼片下方)，緊耦合饋電，以及四分之一波長(λ/ 4)阻抗變換器饋電。這幾種饋電方式，饋線的復(fù)雜性和用途均不相同。例如，對于底層饋電的情況，設(shè)計(jì)者可以通過選擇外層使用最好的電路板材料以獲得最佳的輻射，也可以選擇不同的內(nèi)層電路板材料，來降低饋線的輻射和插入損耗。

圖2：四種用于微帶貼片單位不同的饋線：(a)松耦合饋電、(b)底層饋電、(c)緊耦合饋電、(d)四分之一波長阻抗變換器饋電

對天線來講，較厚的電路板材料更容易向外輻射能量。一般來說，設(shè)計(jì)諸如微帶貼片之類的天線輻射單元，應(yīng)該選擇相對較厚并且具有較低Dk值(例如2.2至3.5)的電路板材料。盡管更高Dk值的材料輻射效率較低，使用較高Dk值的電路板材料來設(shè)計(jì)PCB天線更具挑戰(zhàn)性。但當(dāng)需要設(shè)計(jì)更小的貼片天線時(shí)，仍可通過優(yōu)化設(shè)計(jì)而使用更高Dk值的電路板材料。

PIM策略

PIM較高的天線可能會(huì)導(dǎo)致無線通信系統(tǒng)中(如4G LTE無線網(wǎng)絡(luò)的分布式天線系統(tǒng))數(shù)據(jù)的丟失。而對于新興的5G無線網(wǎng)絡(luò)，盡管其頻率較高，實(shí)際也是如此。

對于收發(fā)系統(tǒng)中的兩個(gè)帶內(nèi)載波信號頻率f1和f2，PIM就是nf1-mf2和nf2-mf1的混合產(chǎn)物，其中n和m是整數(shù)。這種衍生的PIM諧波可以按一定規(guī)則進(jìn)行分類，其順序由m和n之和確定，例如2f1-f2和2f2-f1(如圖3)的三階分量。三階交調(diào)分量值得關(guān)注，因?yàn)樗鼈冸x載波信號最近從而可能落在接收機(jī)的頻帶內(nèi)，并且，如果分量具有較高功率，就可能會(huì)造成接收機(jī)發(fā)生阻塞。

圖3：不同階數(shù)的互調(diào)失真(IMD)。

PIM諧波分量的幅度不僅是f1和f2幅度的函數(shù)，而且還是其階數(shù)的函數(shù)。PIM諧波分量的幅度隨著階數(shù)的增加而減小。因此，第五，第七和第九階PIM諧波功率水平通常較小而不會(huì)影響接收器性能。

到底多低的功率電平可以認(rèn)為是低PIM？這個(gè)值可能因系統(tǒng)而異。對于4G LTE系統(tǒng)中使用的DAS設(shè)備中包括的一些無源組件(如連接器和電纜)，-145dBc通常被認(rèn)為足夠低。然而一般來說，-140dBc或更高數(shù)值被認(rèn)為是較差的PIM性能，而-150dBc被認(rèn)為是較好的，-160dBc則是優(yōu)秀的。

在專門設(shè)計(jì)的微波暗室中測量天線和其他無源器件的PIM電平，低至-170 dBc可能超出暗室測試環(huán)境噪聲水平。 當(dāng)使用兩個(gè)+43dBm單音信號進(jìn)行測量時(shí)，大多數(shù)PIM測試暗室的實(shí)際噪聲級別為-165dBc。

當(dāng)同一副天線通過共同的饋線同時(shí)實(shí)現(xiàn)發(fā)射和接收功能時(shí)，低PIM尤其重要。因?yàn)榘l(fā)射機(jī)和接收機(jī)都同時(shí)位于同一系統(tǒng)中，多個(gè)發(fā)射信號的非線性產(chǎn)物總會(huì)導(dǎo)致不想要的互調(diào)諧波，其幅度往往足以惡化接收機(jī)的性能。通過了解不同材料特性的PIM產(chǎn)生特性，可以減小PIM對PCB天線帶來的影響。

盡管大多數(shù)情況下PIM是由電路結(jié)點(diǎn)(如焊點(diǎn)或連接器)中不均勻的材料產(chǎn)生，但電路板材料的特性，如粗糙的銅箔表面和不同類型的電鍍表面處理，也可能會(huì)產(chǎn)生較低或較高的PIM電平。電路板材料中的某些參數(shù)就可以用來作為設(shè)計(jì)低PIM PCB天線的參考。

例如，相比PCB層壓板的陶瓷或PTFE介質(zhì)，層壓板的銅箔表面粗糙度對影響PIM起主要作用。同時(shí)，對于相同介質(zhì)材料的電路(例如，含有玻璃布或陶瓷填料的PTFE)，粗糙的銅箔表面對PIM的影響就要比平滑的銅箔表面更大。

為了更好地理解銅箔表面粗糙度與PIM的關(guān)系，通過測試具有不同銅箔表面粗糙度的電路層壓板，分析其對PIM性能的影響。

具體方法如下：先測量每種銅箔的表面粗糙度，然后壓合成層壓板，接著在層壓板上制作微帶傳輸線測試電路，以測量對應(yīng)的每種層壓板的PIM性能。結(jié)果表明，隨著銅箔表面粗糙度的增加，對PIM影響越來越大(如圖4)。

圖4：電路材料的銅箔表面粗糙度與PIM性能的關(guān)系。

PCB材料制作成天線和其它無源器件，經(jīng)過表面電鍍后，也會(huì)對PIM性能產(chǎn)生影響。鐵磁性材料(如鎳)，會(huì)嚴(yán)重影響PIM的性能?；a工藝通常會(huì)比裸銅電路具有更好的PIM性能，而使用化學(xué)鎳金(ENIG)的電路由于含有鎳會(huì)產(chǎn)生較差的PIM性能。

電路表面清潔度有利于降低微帶天線和其它微帶無源器件的PIM性能。有阻焊的電路通常比裸銅電路具有更好的PIM性能。清潔的電路，沒有殘留的濕法化學(xué)處理，是降低PIM性能的重要基礎(chǔ)。電路中帶有任何形式的離子污染物或殘留物，可能會(huì)導(dǎo)致較差的PIM性能。

同樣地，電路的蝕刻質(zhì)量對于改善PIM性能也是十分重要的。如果銅箔導(dǎo)體沒有被充分腐蝕掉導(dǎo)致電路邊緣產(chǎn)生粗糙和毛刺，這種情況也可能會(huì)使PIM性能下降。

只要仔細(xì)地選擇電路板材料，就可能為無源器件或電路提高其PIM性能。不過，就算使用了低PIM的材料，某些類型的電路可能因自身結(jié)構(gòu)較易受PIM影響，而無法改善其PIM性能。例如，羅杰斯公司(Rogers Corp.)以32.7mil厚的RO4534電路板材料進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)。這種天線層壓板的特性是：Dk為3.4，公差為±0.08，在10 GHz時(shí)的低損耗因子(低損耗)為0.0027。

使用這種相同的電路板材料加工的三個(gè)不同電路分別為：傳輸線、帶通濾波器、低通濾波器(如圖5)。即使這些電路是基于同一電路板材料加工出來的，但由于PIM受電流密度的影響，造成PIM的差異就非常顯著。比起簡單的傳輸線電路，濾波器具有較高的電流密度，從而產(chǎn)生更高的PIM諧波。而當(dāng)使用兩個(gè)+43dBm的單音信號對微帶傳輸線進(jìn)行測試評估時(shí)，RO4534材料呈現(xiàn)出-157dBc的低PIM性能。

圖5：在相同的低PIM材料上加工的三種不同的電路，所呈現(xiàn)出的不同的PIM性能。

如實(shí)驗(yàn)所示，常用于天線饋電的簡單傳輸線，幾乎可以達(dá)到接近材料的額定PIM水平。盡管如此，PIM性能也與電路構(gòu)結(jié)緊密相關(guān)，不同電路也導(dǎo)致最終的PIM性能不同。