毫米波頻段因具有更大的帶寬優勢而逐漸被更多的應用。5G無線網絡和ADAS汽車等許多新興應用的電路開發者正面臨著設計并制出實際可行的30到300GHz電路解決方案的挑戰。本篇羅杰斯文章由兩部分組成，正如第一部分“如何完成從微波頻率到毫米波頻率的設計轉變”所介紹的，制作用于毫米波頻率的印刷電路板（PCB），需考慮從微波電路向毫米波電路升級轉型時的電路材料特性。本篇是第二部分，探索了經常用在微波頻率下的不同電路技術以及不同電路材料是如何影響高頻毫米波電路性能的。

汽車雷達應用中的信號頻率在30和300GHz之間變化，甚至會低至24GHz，這些信號借助于不同電路功能，通過微帶線、帶狀線、基板集成波導（SIW）和接地共面波導（GCPW）等不同傳輸線技術傳播。這些傳輸線技術（圖1）通常在微波頻率下使用，有時也在毫米波頻率下使用，都需要使用專門用于這種高頻率條件的電路層壓板材料。微帶線作為最簡單、最常用的傳輸線電路技術，采用常規的電路加工工藝即可能夠實現較高的電路合格率。但頻率升高至毫米波頻率，它可能不是最好的電路傳輸線。每種傳輸線都有自己的優點和缺點，例如，微帶線雖然易于加工，但是當在毫米波頻率下使用時必須解決較高的輻射損耗問題。

圖1、當向毫米波頻率過渡時，微波電路設計人員需要面對微波頻率下的至少四種傳輸線技術的選擇

微帶線的開放性結構雖然方便物理連接，但是在較高頻率下也會產生一些問題。在微帶傳輸線中，電磁（EM）波通過電路材料的導體和介質基板傳播，但是還有部分電磁波通過周圍的空氣傳播。由于空氣的低Dk值，造成電路的有效Dk值低于電路材料的Dk值，在電路仿真時必須予以考慮。利用高Dk值材料加工制成的電路，與低Dk相比，趨于對電磁波的傳輸形成一定的阻礙，降低傳播速率，因此在毫米波電路中通常會選用低Dk值電路材料。

因為空氣中存在一定程度的電磁能量，所以微帶線電路會向外輻射到空氣中，類似于天線。這會給微帶線電路造成不必要的輻射損耗，損耗會隨頻率的增加而增加，也為研究微帶線的電路設計人員帶來限制電路輻射損耗的挑戰。為了降低輻射損耗，可以用Dk值較高的電路材料加工微帶線。但是Dk的增加會減慢電磁波傳播速率（相對于空氣），造成信號相移。另一種方法是通過使用較薄的電路材料加工微帶線來降低輻射損耗。但是與較厚的電路材料相比，較薄的電路材料更易受銅箔表面粗糙度的影響，進而也會造成一定的信號相移。

盡管微帶線電路配置簡單，但是毫米波頻段下的微帶線電路需要精密的容差控制。例如需要嚴格控制的導體寬度，而且頻率越高，容差會越嚴格。因此，毫米波頻段下的微帶線對加工工藝變化，以及材料中的介質材料和銅的厚度等非常敏感，對于所需的電路尺寸的容差要求非常嚴格。

帶狀線是一種可靠的電路傳輸線技術，能夠在毫米波頻率發揮良好性能。但是與微帶線相比，帶狀線導體被介質包圍，因此不易于將連接器或其它輸入/輸出端口連接到帶狀線上進行信號傳輸。帶狀線可以被視為類似于一種扁平同軸電纜，導體被介質層包裹，然后用地層覆蓋。這種結構可以提供優質的電路隔離效果，同時使信號傳播保持在電路材料內（而非周圍的空氣中）。電磁波始終通過電路材料傳播，可以根據電路材料的特性模擬帶狀線電路，無需考慮空氣中的電磁波影響。但是，被介質包圍的電路導體易受加工工藝變化的影響，而且信號饋入的挑戰使帶狀線難以應對，尤其是在毫米波頻率下連接器尺寸更小的條件下。因此，除汽車雷達應用的一些電路外，帶狀線通常不用于毫米波電路。

基于SIW技術可以設計有源和無源的電路，已經被用在汽車雷達和其它毫米波應用中，例如諧振器和濾波器。這種電路可在較高的頻率下獲得低損耗信號傳播，但是和其它電路技術一樣，SIW技術也需要平衡在毫米波頻率下的優勢和挑戰。

在SIW結構中，是利用一個上部金屬層、一個下部地層和金屬層與地層之間的幾排電鍍通孔（PTH）形成一個電路信號通路。實際上，它構成一個用介質材料填充的緊湊矩形波導。它能夠在毫米波頻率下保持低損耗特性，但是PTH必需在非常嚴格的容差內，尤其是在較高頻率條件下。因此，SIW易受電路加工工藝變化的影響。同時，毫米波頻段下的SIW電路需要使用Dk變化最小的電路材料，而且在電路加工期間，需要進行精密鉆孔孔徑和位置，并保持嚴格的鉆孔容差，所以在毫米波頻率條件下實現SIW電路也有一定的難度。

相比而言，利用GCPW結構并使用低Dk電路材料加工制成的電路，被廣泛用于寬頻RF/ 微波/毫米波頻率范圍的電路中，如在試驗/ 測量等應用。介質和銅導體的對稱結構能夠在較高頻率下實現低損耗。基于GCPW的毫米波電路通常與低頻微帶線電路結合在一起使用，例如接收機的中頻電路，因此需要使用符合這兩種電路技術要求的材料。

GCPW電路能夠在毫米波頻率下實現可重復的一致性能，但是也需要電路加工變量得以嚴格控制，且與低損耗電路材料結合使用，才能實現最佳效果。通常，在設計時GCPW導體被假設是矩形的，但是實際加工后的導體通常是梯形的。在毫米波頻率下，導體形狀和厚度變化可能造成信號相位的變化（圖2）。GCPW電路對加工工藝的要求與微帶線和SIW有一些相似之處，如與微帶線相同的是，必須盡量減少導體寬度和厚度的變化；與SIW相同的是，GCPW PTH必須準確定位，盡量減少阻抗變化和損耗，形成一個一致、連續的傳播通路。

圖2、GCPW電路導體設計仿真是矩形的（上圖），但是導體被加工后成梯形（下圖），會對毫米波頻率產生不同影響。

對于對信號相位響應敏感的許多新興毫米波電路應用（例如汽車雷達）來說，應盡量減少造成相位不一致的原因。毫米波頻率的GCPW電路易受材料和加工工藝變化的影響，包括材料Dk值和基板厚度的變化。其次，電路性能可能受銅導體厚度和銅箔表面粗糙度的影響，因此應將銅導體厚度保持在一個嚴格的容差內，同時應盡量減小銅箔表面粗糙度。再次，GCPW電路上表面鍍層的選擇也可能影響電路的毫米波性能。例如，使用化學鎳金的電路，鎳的損耗比銅多，鍍鎳面層會增加 GCPW或微帶線上的損耗（圖3）。最后，由于波長小，所以鍍層的厚度變化也會造成相位響應變化，且GCPW的影響比對微帶線的影響大。

圖 3 圖示的微帶線和GCPW電路用相同電路材料（羅杰斯公司的8mil厚RO4003C™層壓板），在毫米波頻率下，ENIG對GCPW電路的影響遠遠大于對微帶線的影響。

本文和上一篇題為“如何完成從微波頻率到毫米波頻率的設計轉變”的文章，以及關于毫米波電路的電路材料和傳輸線技術的其它信息，是依據作者在2021年IEEE國際微波研討會（IMS）在線會議上的報告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虛擬會議，2021年6月20日至25日。

相關閱讀：

如何完成從微波頻率到毫米波頻率的設計轉變

參考文獻

1. JohnCoonrod, “Concerning PCBs and the Transition from Microwaves to MillimeterWaves,” ROG Blog, Part 1, Microwave Journal, June 2021

2.John Coonrod, “Design Considerations and Tradeoffs for Microstrip, Coplanar,and Stripline Structures at Millimeter-Wave Frequencies,” Microwave Journalwebinar, 2019.

3.John Coonrod, “Stripline Circuitry for Millimeter-Wave and Very High SpeedDigital,” IEEE International Microwave Symposium (IMS), MicroApps sessions,June 9, 2021, Atlanta, GA.