Porozumění přechodu z mikrovlny na milimetrové vlny v návrhu PCB

 

V oblasti elektronického inženýrství čelí konstrukce desek s tiskovými obvodmi (PCB) četným výzvám a transformacím, jak se zvyšují provozní frekvence, a přechod z mikrovlnného frekvenčního pásma do frekvenčního pásma v milimetr vlny představuje kritický technologický zlom.

Mikrovlny obecně odkazují na elektromagnetické vlny s frekvencemi mezi 300 MHz a 30 GHz, široce používanými v komunikaci (jako je radar, satelitní komunikace), navigace a další pole. Pro návrh PCB byl vytvořen relativně zralý technický systém v tomto frekvenčním pásmu. Například při návrhu přenosové linky jsou rozsáhlé praktické zkušenosti s kontrolou charakteristické impedance struktur, jako jsou linie mikropáskových linek a pásových linek, a zajištění integrity signálu.

Na druhé straně milimetrové vlny jsou elektromagnetické vlny s frekvencemi v rozmezí od 30 GHz do 300 GHz. V posledních letech přitahovali značnou pozornost kvůli nově vznikajícím požadavkům na aplikaci, jako je komunikace 5G/6G, autonomní řidičský radar a vysoce přesné zobrazování. Při přechodu na milimetrové vlny však musí návrh PCB řešit řadu nových problémů:

 

1. Technologie mikropáskové linky
Řada MicroStrip je jednou z nejjednodušších a nejčastěji používaných technologií přenosových lin v mikrovlnných obvodech díky snadné výrobě a vysokému výnosu. Při přechodu na frekvence milimetrů vln čelí nicméně mikropáskové linie. Jedním z klíčových problémů je radiační ztráta. Při vyšších frekvencích mají obvody mikropáskových obvodů tendenci se chovat jako antény a vyzařující energii do okolního vzduchu. To vede k zbytečné ztrátě signálu, která se s rostoucí frekvence stává závažnější. Výroba obvodů mikropáskových obvodů navíc vyžaduje extrémně vysokou přesnost s přísnými tolerancemi pro šířku vodiče a tloušťku mědi. Jak se frekvence zvyšuje, požadavky na toleranci se stanou ještě přísnějšími a malé odchylky ve výrobním procesu mohou způsobit vážné problémy s výkonem.

Další výzva spočívá v propagačních charakteristikách elektromagnetických vln v obvodech mikropáskových. Elektromagnetické vlny se šíří nejen prostřednictvím obvodového materiálu, ale také okolním vzduchem, který má nízkou dielektrickou konstantu. Nízká dielektrická konstanta vzduchu ovlivňuje účinnou dielektrickou konstantu celého obvodu a musí být při modelování obvodu zohledněna. Při frekvencích milimetrů vln jsou obvodové materiály s nižší dielektrickou konstantou obvykle upřednostňovány ke snížení ztráty signálu, ale to může vést k pomalejšímu šíření vln a fázové posuny.

 

2. technologie Stripline
Stripline je další spolehlivá technologie obvodů schopná pracovat na frekvencích milimetrových vln. Nabízí vynikající izolaci, protože vodič je zcela uzavřen dielektrickým materiálem a pozemními rovinami. Tento design zajišťuje, že elektromagnetické vlny se šíří zcela v materiálu obvodu bez interakce s okolním vzduchem. Problém s Stripline je však v tom, že je obtížné spustit signály do obvodu kvůli jeho uzavřené struktuře.

Vytváření konektorů pro vstup a výstup signálu se stává náročnější, zejména při frekvencích milimetrů vln. Tato technologie je navíc vysoce citlivá na změny ve výrobním procesu, což ztěžuje dosažení požadovaných tolerance. Z těchto důvodů je Stripline méně běžně používán v obvodech milimetrových vln, s výjimkou specifických aplikací, jako jsou automobilové radarové systémy.

 

3. substrát Integrovaný vlnovod (SIW)
Technologie substrátu Integrated Waveguide (SIW) získává rostoucí popularitu v aplikacích milimetrových vln, zejména v automobilových radarových a dalších komunikačních systémech. SIW kombinuje výhody technologie vlnovodů a výroby desky s obvody (PCB). Vytváří kompaktní obdélníkový vlnovod s použitím vrstvy horní kovové vrstvy, spodního zemního roviny a řad skvrnitého skrz holy (PTHS). Tento návrh umožňuje šíření signálu s nízkým ztrátou i při vysokých frekvencích.

Výroba obvodů SIW však vyžaduje extrémně vysokou přesnost. PTHS musí být umístěny do velmi těsných tolerancí, zejména pro vyšší frekvence, což činí výrobní proces docela náročný. SIW navíc vyžaduje materiály s minimálními změnami dielektrické konstanty, což dále zvyšuje potíže s výrobou.

 

4. uzemněný coplanar Waveguide (GCPW)
Uzemněný Coplanar Waveguide (GCPW) je další slibnou technologií přenosové linky pro obvody milimetrových vln. Struktura GCPW kombinuje dielektrické materiály a měděné vodiče k dosažení šíření signálu s nízkým ztrátou. Je zvláště vhodný pro širokopásmové RF, mikrovlnné a milimetrové vlnové aplikace, jako jsou testovací a měřicí systémy. GCPW lze také použít v integrovaných konstrukcích, kde jsou na stejném PCB vyžadovány jak milimetrové vlnové, tak nižší frekvenční obvody.

Obvody GCPW jsou však citlivé na změny ve výrobním procesu, jako jsou změny dielektrické konstanty dielektrického materiálu, tloušťka substrátu a drsnost povrchu mědi. Tyto faktory mohou způsobit fázové zkreslení, které se stává kritičtější při frekvencích milimetrů vln. Pro zajištění optimálního výkonu je nutná přísná kontrola nad výrobním procesem, včetně udržování přesné šířky a tloušťky vodiče.

 

Klíčové úvahy v designu obvodu v milimetru vln
Vzhledem k tomu, že aplikace obvodů milimetrů vln, jako jsou automobilové radar a bezdrátové sítě 5G, musí při výběru obvodních materiálů a technologií přenosových linků zvážit několik klíčových faktorů:

 

Výrobní tolerance:

Obvody milimetrů vln mají extrémně vysoké požadavky na toleranci na šířku vodiče, tloušťku dielektrické vrstvy a kvalitu povrchu mědi.

Integrita signálu: Je nutné minimalizovat dopad faktorů, jako je ztráta záření, fázové zkreslení a změny v dielektrické konstantě materiálů, aby se zajistila spolehlivý výkon při vysokých frekvencích.

Výběr materiálu: Výběr materiálů PCB je zásadní pro výkon obvodů milimetrů vln. Materiály s nízkou dielektrickou konstantou jsou upřednostňovány ke snížení ztráty signálu, ale jejich vlastnosti musí zůstat stabilní při vysokých frekvencích.

 

Závěr
Konstrukce frekvenčních obvodů milimetrových vln čelí jedinečným výzvám, ale zároveň přináší obrovské příležitosti pro vznikající aplikace, jako jsou sítě 5G a pokročilé systémy asistence řidiče (ADAS). Porozumění výhodám a omezením různých technologií přenosových linků, jako jsou linie mikropáskových linek, Striplines, SIW a GCPW, je zásadní pro přijímání informovaných rozhodnutí při přechodu z mikrovlnné do milimetrové vlny.