目前，在汽車和5G蜂窩無線通信網絡中，帶寬的使用無處不在。通常定義的毫米波頻段是30GHz到300 GHZ的頻率范圍，但是在車載毫米波雷達系統中從24 GHz就開始了。所以許多微波電路設計人員都面臨著提高頻率并研發毫米波印刷電路板（PCB）的任務。他們需要設計并加工出毫米波頻率的小波長所需的更精細電路特征，實現微波頻率到毫米波頻率的轉變。頻率較高的電路設計需要謹慎選擇適合毫米波頻率和電路加工工藝且支持較高頻率的電路材料。本文章的第一部分將探索適合毫米波頻率的電路材料特性。第二部分將解釋說明能幫助電路在毫米波頻率下發揮最好性能的高頻結構和加工工藝。

毫米波PCB曾經被視為是深奧難懂的，或者至少被視為僅用作軍用/航空航天應用。6GHz以下的大量無線通信用戶和產生的大量數據使低頻頻段擁堵，促使人們對更高頻率的使用產生濃厚興趣。雖然前四代蜂窩無線通信網絡能夠在低頻率下可靠運行，但是第五代（5G）正在探索毫米波頻率，以便為高速、短距離數據鏈路獲得更高有效帶寬。除了個人無線通信以外，5G網絡還能支持無數傳感器、識別、監控和監測裝置。此外，包括汽車制造商依賴高級駕駛輔助系統（ADAS）設備，也正在使用毫米波頻率來設計短程雷達。因此，對毫米波電路的需求日益增加，也相應對可靠電路材料的需求也日益增多。

材料性能

在從微波頻率向毫米波頻率轉變的過程中，電路設計人員會面臨很多變化。隨著頻率的增加，波長不斷縮短，因此需要更精密的電路結構。而且，毫米波頻率下的信號功率通常比微波頻率下的信號功率低，因此減少電路功率損失是電路設計的一個重要目標。在不考慮電路結構類型的情況下，例如毫米波頻率下的微帶線、帶狀線、基板集成波導（SIW）或接地共面波導（GCPW），對于向更高頻率轉變的電路和應用，應考慮毫米波電路材料是否有最佳基本性能，例如介電常數（Dk）和損耗因子（Df）。電路材料的Dk與材料的復介電常數的實數部分有關，而電路材料的Df或損耗角正切與材料的復介電常數的虛數部分有關。這些參數以及電路材料的其它基本性能有助于我們深刻理解電路層壓板材料在毫米波頻率下如何表現。

例如，汽車雷達系統等許多應用在毫米波頻率（例如77GHz）下需要一致、穩定的信號相位。一種非常適合毫米波電路的材料是不會對電路的相位響應或信號通過金屬導體傳播的方式產生任何影響。為了保證毫米波頻率下的這種性能，電路材料的Dk值僅允許有極小的變動。若可以準確測量，則即使是很小的Dk偏差也可能造成毫米波傳輸線上的信號傳播和相位變動。

電路的介電常數通常可以在被測電路材料上加工制作一個參考電路，并測量不同長度的傳輸線在不同測試頻率下的相位，依此確定電路材料的Dk。傳輸線的測試頻率和相位長度與Dk值對應，而Dk值與介質材料和厚度以及層壓板金屬的實測厚度有關。

對于小波長的毫米波信號，根據傳輸線形式，Dk值較低且穩定（3.0左右）的電路材料支持信號相位僅有微小變動更多高頻電路的應用。保持材料中Dk的穩定性，可以減少信號相位的變動。而且，電路材料的Dk變化對毫米波頻率下電路的影響程度還與電路和傳輸線的類型相關。一些電路形式非常適合標準電路加工工藝，但是可能不支持毫米波所需的所有電路特征。從微波低頻電路向毫米波高頻電路轉變設計過程中，為了取得最佳效果，也意味著對電路層壓板以及傳輸線技術的選擇。

另一個需要考慮的電路材料的基本屬性是Df或損耗角正切，通常也稱為“損耗”。低Df值通常與低Dk值相關。與Dk一樣，毫米波電路更青睞低Df電路材料。相似地，電路材料的Df變化是頻率的函數，隨著頻率的增加而增加，從而影響電路的振幅響應。對于毫米波頻率下的所有電路，如前所述，電路傳輸線技術的選擇應是電路材料選擇的一部分，因為某些傳輸線技術受Dk和Df變化的影響較小。但是，一些傳輸線技術（本博客第二部分將會闡述）更適合兼容一些加工帶來的變化，而這些加工的變化即使在最優的電路層壓板上加工毫米波電路也可能無法避免的。

其它的一些電路材料性能也有助于進一步幫助確定用于毫米波電路的電路層壓板。如層壓板上的銅箔和介質交界處的銅箔表面粗糙度會限制毫米波電路的性能。電路損耗和信號相位變化取決于工作頻率和傳輸線類型。對于微帶線（圖1）來說，銅箔越光滑越好，因為銅箔表面較粗糙的電路與具有相同介質材料、厚度但是銅箔表面較光滑的層壓板相比，導體（插入）損耗和相位變化會增加。電路材料越薄，銅箔表面粗糙度的影響越大（圖2）。介質材料厚度增加可以降低該影響，但是對于大部分微帶線電路而言，這種做法會增加電路對介質損耗的敏感度。

圖1、電路的橫斷面的介質材料交界面處的銅箔表面粗糙度

圖2、銅箔表面粗糙度對電路損耗的影響，使用相同的羅杰斯公司的5mil RO3003™介質材料

銅箔導體表面粗糙度會影響毫米波電路特性，尤其是頻率越高影響越大，這是由于電磁（EW）波的趨膚深度隨著頻率的增加而減少的原因。當電磁波的趨膚深度接近或低于銅導體表面粗糙度量級時，幅度和相位的惡化程度最大。這種情況一般在毫米波頻率下發生。電路材料可以使用不同類型的銅箔，每種銅箔類型都有自己的表面粗糙度值。高輪廓銅箔最為粗糙，對毫米波電路損耗和相位性能的影響最大。而壓延銅最為光滑，它的影響也最小。在之間，反轉處理銅箔（RT）和電解銅箔（ED）之間的表面粗糙度處于中間值，對損耗和相位的響應影響也處于中間值。

對于同一種材料而言，較粗糙的銅箔表面會使電路產生一個較高的有效Dk值，或電路“看到”的Dk值，如某種設計的較厚銅（例如GCPW）一樣。較高的有效Dk值會減慢電磁波的傳播速度，造成毫米波電路的相位變化。因此，當基于具有特定實際或“設計”Dk值的電路材料進行設計時，應考慮層壓板的銅箔表面粗糙度和厚度。因為銅箔厚度、銅箔表面粗糙度等的變化可能造成不必要的電路性能變化，特別是在毫米波頻段下。與較薄的電路相比，介質材料較厚的電路受銅箔影響較小。

下一篇文章（PCB選擇及從微波向毫米波頻段設計過渡的考慮），即作為微波電路向毫米波電路轉變的研究的第二部分，將評述毫米波電路使用的一些傳輸線技術以及它們在加工工藝方面的性能對比。電路材料和傳輸線技術的巧妙選擇能夠產生實用的高性能毫米波電路。

關于毫米波電路的電路材料和傳輸線技術選擇的其它信息，本文章和它的第二部分是依據作者在2021年IEEE國際微波研討會（IMS）線上會議上的報告MicroApps編纂的，即：“使用PCB技術實現微波向毫米波轉變的設計指導”，2021年IEEE IMS線上會議，2021年6月20日至25日。