PCB技術 - ミリ波レーダーに対するPCB構造の影響

一般的な複合プリント回路基板の誘電体層（PCB）は主にガラス繊維をフィラーとして使用します。ただし、ガラス繊維の特殊な編組構造により、PCBの局所誘電率（DK）が変化します。特にミリ波周波数では、ガラスの編組効果は薄いラミネートの効果よりも明白であり、DKの局所的な不均一性はRF回路とアンテナの性能に明らかな変化をもたらします。PCB構造が伝送線路の性能に及ぼす影響を、厚さ100μMのガラス編組ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）ラミネートを使用して、さまざまなタイプのガラス編組構造に従って調査しました。PCBボードの誘電率は0.01〜0.22の間で変動しました。アンテナ性能に対するさまざまなガラス編組構造の影響を研究するために、直列給電マイクロストリップパッチアレイアンテナをRogersに製造しました。

オートパイロットは現在、ホットな研究トピックです。ドライバーや歩行者が潜在的な致命的な事故を回避するのに役立ち、高い信頼性が必要です。したがって、回路の信頼性が高いことが求められます。コンパクトな構造と環境検出の高感度により、ミリ波レーダーは自動運転でのターゲット検出のための信頼性の高いソリューションを提供します。76〜81 GHzの商用ミリ波レーダーシステムでは、設計が簡単で、構造がコンパクトで、大量生産が可能で、低コストであるため、直列給電マイクロストリップパッチアンテナが一般的になっています。周波数が高いほど、波長は短くなります。したがって、低周波数と比較して、ミリ波周波数で動作する伝送線路とアンテナのサイズは小さくなります。車載レーダーの理想的な性能を確保するために、PCBが伝送線路とマイクロストリップパッチアンテナに与える影響を調べる必要があります。屋外環境（温度と湿度の影響を受ける）で長時間動作するミリ波周波数回路[2]の場合、PCB回路ラミネートを選択する際の主な考慮事項は材料性能指標の一貫性です。ただし、ラミネートを構成する銅箔、ガラス繊維強化材料、セラミックフィラー、およびその他の材料は、高周波でのインジケータの一貫性に大きな影響を与えます。PCB回路ラミネートを選択する際の主な考慮事項は、材料性能指標の一貫性です。ただし、ラミネートを構成する銅箔、ガラス繊維強化材料、セラミックフィラー、およびその他の材料は、高周波でのインジケータの一貫性に大きな影響を与えます。PCB回路ラミネートを選択する際の主な考慮事項は、材料性能指標の一貫性です。ただし、ラミネートを構成する銅箔、ガラス繊維強化材料、セラミックフィラー、およびその他の材料は、高周波でのインジケータの一貫性に大きな影響を与えます。

ミリ波レーダーの応用

この論文は主にミリ波レーダーの性能に対するPCB構造の影響を研究している。ほとんどのPCBラミネートの誘電体層は、通常、ガラス繊維布にポリマー樹脂をコーティングすることによって形成されます。ミリ波周波数では、ガラス束の幅が伝送線路の幅と等しいため、材料特性の均一性に対するガラス繊維布の影響は非常に明白です。さらに、薄い（たとえば、100μm）PCBラインラミネートを使用してマイクロストリップアンテナを設計すると、ガラス織布によってアンテナ性能が大幅に変化し、処理歩留まりが低下します。

ラミネートの組成

ラミネートは通常、ガラス繊維布とポリマー樹脂でできて誘電体層を形成し、両面を銅箔で覆います。ガラスクロスの典型的な誘電率（DK）は約6.1と高く、低損失ポリマー樹脂の誘電率は2.1から3.0の間であるため、小さな領域でDKに一定の違いがあります。図1は、ラミネート内のガラス編組繊維の顕微鏡上面図と断面図を示しています。ナックルバンドルの上の回路は、ガラス繊維の含有量が多いためにDKが高くなりますが、バンドルが開いている回路は、樹脂の含有量が多いためにDKが低くなります。さらに、ガラス織物の特性は、ガラス織物の厚さ、織物間の距離、織物の平坦化方法、および各軸のガラス含有量によって影響を受けます。

図2に示すように、薄いガラスクロスの2つの典型的な織りパターンである1080と1078は、ミリ波アプリケーションの薄いラミネートでよく使用されます。不均衡なガラスクロスは、1080の標準織りで使用されます。一方の軸のガラス含有量は、もう一方の軸のガラス含有量よりも高くなっています。1080織布と比較して、1078オープンファイバーガラスブレードはより均一なグラスファイバー平面を持っているため、ラミネート全体のDKの変化はわずかです。多層ガラスクロスラミネートと比較して、単層ガラスクロスラミネートのDK値の変化が大きくなっています。さらに、セラミックフィラーを含むラミネート材料は、ガラスクロスのさまざまな織り方によって引き起こされるDKの変化を減らすことができます。

1080（オープンアンバランスブレード）および1078（オープンファイバー）ガラスクロスの構造の顕微鏡図

送電線回路への影響

このテスト実験では、1mmの終端コネクタを使用したマイクロストリップ伝送ライン回路を使用します。コネクタは、最初に50オームの接地コプレーナ導波管（GCPW）に接続され、インピーダンスコンバータを介して高インピーダンスマイクロストリップ伝送ラインに変換されます。図3に示すように、マイクロストリップ伝送ラインの長さは2インチです。これにより、実験回路でガラス編組構造の効果をテストできます。回路はガラス編組ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）ラミネートでできており、カレンダー加工された銅と単一のガラスクロスが使用されています。異なるガラス編組構造の効果を比較するために、伝送線路回路は、1080ガラス布を使用したPTFEテフロン、1078ガラス布を使用したPTFEポリテトラフルオロエチレンの3つの異なるPCBラミネートで作成されました。1080ガラスクロスで満たされた非PTFEラミネート。処理された回路を注意深くチェックし、テストに適した伝送ラインを選択して、回路の振幅と位相角の特性を測定します。ラミネートの誘電率は、位相角（拡張位相値）、群遅延（周波数によって変化する位相角に基づく）、および伝搬遅延（位相角に従って計算）の3つのパラメーターによって決定されます。

アンテナ性能への影響

直列給電マイクロストリップパッチアンテナアレイは、ミリ波自動車レーダーの典型的なアンテナです。アンテナ性能に対するグラスファイバー効果の影響を研究するために、1×4シリーズ給電マイクロストリップパッチアンテナが設計されており、その動作周波数範囲は76〜81GHzです[3]。図4に示すように、アンテナは2つの異なるガラスクロスラミネートro4835とro4830でできています。アンテナは、その結合効果を研究するために、接地された隣接要素で作られています。

シリーズは、マイクロストリップパッチアレイが上に作製供給ロジャースのro4835とロジャース ro4830ラミネート

10 GHzでのラミネートの誘電率は3.48で、損失正接は0.0037です（IPC TM-650 2.5.5.5標準テストに基づく）。さらに、ro4830ラミネートの誘電率は3.24で、損失正接は0.0033です（ipctm-650 2.5.5.5標準テストに基づく）。Ro4835ラミネートは、1080の標準的な不均衡なガラス布でできており、セラミックフィラーで補強されています。対照的に、ro4830ラミネートは、1035フラットオープンファイバーガラス編組と小さな粒子で満たされたセラミックによって強化されました。表3は、ro4835とro4830に基づくラミネートの特性をさらに比較しています。