Memahami peralihan dari gelombang mikro ke gelombang milimeter dalam reka bentuk PCB

 

Dalam bidang kejuruteraan elektronik, reka bentuk papan litar bercetak (PCB) menghadapi pelbagai cabaran dan transformasi apabila frekuensi operasi meningkat, dan peralihan dari jalur frekuensi gelombang mikro ke jalur frekuensi gelombang milimeter mewakili titik perubahan teknologi kritikal.

Microwave umumnya merujuk kepada gelombang elektromagnet dengan frekuensi antara 300MHz dan 30GHz, digunakan secara meluas dalam komunikasi (seperti radar, komunikasi satelit), navigasi, dan bidang lain. Sistem teknikal yang agak matang telah dibentuk untuk reka bentuk PCB dalam jalur frekuensi ini. Sebagai contoh, dalam reka bentuk talian penghantaran, terdapat pengalaman praktikal yang luas dalam mengawal impedans ciri struktur seperti garis mikrostrip dan striplin, dan memastikan integriti isyarat.

Gelombang milimeter, sebaliknya, adalah gelombang elektromagnet dengan frekuensi antara 30GHz hingga 300GHz. Dalam tahun-tahun kebelakangan ini, mereka telah menarik perhatian yang ketara disebabkan oleh tuntutan aplikasi yang muncul seperti komunikasi 5G/6G, radar memandu autonomi, dan pencitraan ketepatan tinggi. Walau bagaimanapun, apabila beralih ke gelombang milimeter, reka bentuk PCB perlu menangani satu siri isu baru:

 

1. Teknologi Line Microstrip
Barisan Microstrip adalah salah satu teknologi talian penghantaran yang paling mudah dan paling biasa digunakan dalam litar gelombang mikro, terima kasih kepada kemudahan fabrikasi dan hasil yang tinggi. Walau bagaimanapun, apabila beralih ke frekuensi gelombang milimeter, garis mikrostrip menghadapi pelbagai cabaran yang ketara. Satu isu utama ialah kehilangan radiasi. Pada frekuensi yang lebih tinggi, litar mikrostrip cenderung berkelakuan seperti antena, memancarkan tenaga ke udara sekitar. Ini membawa kepada kehilangan isyarat yang tidak perlu, yang menjadi lebih teruk apabila kekerapan meningkat. Di samping itu, pembuatan litar mikrostrip memerlukan ketepatan yang sangat tinggi, dengan toleransi yang ketat untuk lebar konduktor dan ketebalan tembaga. Apabila kekerapan meningkat, keperluan toleransi menjadi lebih ketat, dan penyimpangan kecil dalam proses pembuatan boleh menyebabkan masalah prestasi yang serius.

Satu lagi cabaran terletak pada ciri -ciri penyebaran gelombang elektromagnet dalam litar mikrostrip. Gelombang elektromagnet menyebarkan bukan sahaja melalui bahan litar tetapi juga melalui udara sekitar, yang mempunyai pemalar dielektrik yang rendah. Pemalar udara dielektrik yang rendah mempengaruhi pemalar dielektrik berkesan keseluruhan litar dan mesti diambil kira apabila memodelkan litar. Pada frekuensi gelombang milimeter, bahan litar dengan pemalar dielektrik yang lebih rendah biasanya lebih disukai untuk mengurangkan kehilangan isyarat, tetapi ini mungkin mengakibatkan penyebaran gelombang yang lebih perlahan dan peralihan fasa.

 

2. Teknologi Stripline
Stripline adalah satu lagi teknologi litar yang boleh dipercayai yang mampu beroperasi pada frekuensi gelombang milimeter. Ia menawarkan pengasingan yang sangat baik kerana konduktor itu disertakan sepenuhnya oleh bahan dielektrik dan pesawat tanah. Reka bentuk ini memastikan bahawa gelombang elektromagnet menyebarkan sepenuhnya dalam bahan litar tanpa berinteraksi dengan udara sekitarnya. Walau bagaimanapun, masalah dengan stripline adalah sukar untuk melancarkan isyarat ke dalam litar kerana struktur tertutupnya.

Mewujudkan penyambung untuk input dan output isyarat menjadi lebih mencabar, terutamanya pada frekuensi gelombang milimeter. Selain itu, teknologi ini sangat sensitif terhadap variasi dalam proses pembuatan, menjadikannya sukar untuk mencapai toleransi yang diperlukan. Atas sebab-sebab ini, stripline kurang digunakan dalam litar gelombang milimeter, kecuali aplikasi tertentu seperti sistem radar automotif.

 

3. Substrat Waveguide Bersepadu (SIW)
Teknologi Waveguide Bersepadu Substrat (SIW) semakin meningkat populariti dalam aplikasi gelombang milimeter, terutamanya dalam radar automotif dan sistem komunikasi lain. SIW menggabungkan kelebihan teknologi gelombang dan fabrikasi papan litar bercetak (PCB). Ia membentuk gelombang gelombang segi empat tepat yang padat menggunakan lapisan logam atas, satah bawah tanah, dan baris lubang berlapis (PTHS). Reka bentuk ini membolehkan penyebaran isyarat kehilangan rendah walaupun pada frekuensi tinggi.

Walau bagaimanapun, pembuatan litar SIW memerlukan ketepatan yang sangat tinggi. PTHS mesti diletakkan dalam toleransi yang sangat ketat, terutamanya untuk frekuensi yang lebih tinggi, menjadikan proses fabrikasi agak mencabar. Di samping itu, SIW memerlukan bahan dengan variasi minimum dalam pemalar dielektrik, yang seterusnya meningkatkan kesukaran pembuatan.

 

4. Waveguide Coplanar yang Ditubuhkan (GCPW)
Coplanar Waveguide (GCPW) yang berasaskan (GCPW) adalah satu lagi teknologi talian penghantaran yang menjanjikan untuk litar gelombang milimeter. Struktur GCPW menggabungkan bahan dielektrik dan konduktor tembaga untuk mencapai penyebaran isyarat rendah. Ia amat sesuai untuk aplikasi jalur lebar, microwave, dan aplikasi gelombang milimeter, seperti sistem ujian dan pengukuran. GCPW juga boleh digunakan dalam reka bentuk bersepadu di mana kedua-dua gelombang milimeter dan litar frekuensi rendah diperlukan pada PCB yang sama.

Tetapi litar GCPW sensitif terhadap variasi dalam proses pembuatan, seperti perubahan dalam pemalar dielektrik bahan dielektrik, ketebalan substrat, dan kekasaran permukaan tembaga. Faktor-faktor ini boleh menyebabkan penyelewengan fasa, yang menjadi lebih kritikal pada frekuensi gelombang milimeter. Untuk memastikan prestasi yang optimum, kawalan ketat terhadap proses pembuatan diperlukan, termasuk mengekalkan lebar dan ketebalan konduktor yang tepat.

 

Pertimbangan utama dalam reka bentuk litar gelombang milimeter
Sebagai aplikasi litar gelombang milimeter seperti radar automotif dan rangkaian wayarles 5G terus berkembang, pereka mesti mempertimbangkan beberapa faktor utama apabila memilih bahan litar dan teknologi talian penghantaran:

 

Toleransi Pembuatan:

Litar gelombang milimeter mempunyai keperluan toleransi yang sangat tinggi untuk lebar konduktor, ketebalan lapisan dielektrik, dan kualiti permukaan tembaga.

Integriti isyarat: Adalah perlu untuk meminimumkan kesan faktor seperti kehilangan radiasi, gangguan fasa, dan perubahan dalam pemalar dielektrik bahan untuk memastikan prestasi yang boleh dipercayai pada frekuensi tinggi.

Pemilihan Bahan: Pilihan bahan PCB adalah penting untuk prestasi litar gelombang milimeter. Bahan -bahan dengan pemalar dielektrik yang rendah lebih disukai untuk mengurangkan kehilangan isyarat, tetapi sifatnya mesti stabil pada frekuensi tinggi.

 

Kesimpulan
Reka bentuk litar frekuensi gelombang milimeter menghadapi cabaran yang unik, tetapi pada masa yang sama, ia membawa peluang besar untuk aplikasi baru muncul seperti rangkaian 5G dan sistem bantuan pemandu lanjutan (ADAS). Memahami kelebihan dan batasan teknologi talian penghantaran yang berbeza seperti garis mikrostrip, stripline, SIW, dan GCPW adalah penting untuk membuat keputusan yang tepat dalam peralihan dari gelombang mikro ke reka bentuk gelombang milimeter.