Förstå övergången från mikrovågor till millimetervågor i PCB -design

 

Inom elektronisk teknik står utformningen av tryckta kretskort (PCB) inför många utmaningar och transformationer när driftsfrekvenserna ökar, och övergången från mikrovågsfrekvensbandet till millimetervågfrekvensbandet representerar en kritisk teknisk vändpunkt .

Microwaves generally refer to electromagnetic waves with frequencies between 300MHz and 30GHz, widely used in communication (such as radar, satellite communication), navigation, and other fields. A relatively mature technical system has been formed for PCB design in this frequency band. For example, in transmission line design, there is extensive practical experience in controlling the characteristic impedance of Strukturer som mikrostriplinjer och striplinjer och säkerställa signalintegritet .

Millimeter waves, on the other hand, are electromagnetic waves with frequencies ranging from 30GHz to 300GHz. In recent years, they have attracted significant attention due to emerging application demands such as 5G/6G communication, autonomous driving radar, and high-precision imaging. However, when transitioning to millimeter waves, PCB design needs to address a series av nya frågor:

 

1. Microstrip Line Technology
Microstrip-linjen är en av de enklaste och oftast använda transmissionslinjeteknologierna i mikrovågskretsar, tack vare dess enkla tillverkning och höga utbyte . Ändå, när övergången till millimeter-vågfrekvenser, microstrip-linjer möter många betydande utmaningar . en nyckelproblem är strålningsförlust {{{3 {3 {Högre frekvens, mics, mics cerces, mics cerces, mics cercies, mics cerc cerciS behave like antennas, radiating energy into the surrounding air. This leads to unnecessary signal loss, which becomes more severe as the frequency increases. Additionally, the manufacturing of microstrip circuits requires extremely high precision, with strict tolerances for conductor width and copper thickness. As the frequency rises, the tolerance requirements become even strängare och små avvikelser i tillverkningsprocessen kan orsaka allvarliga prestationsproblem .

En annan utmaning ligger i förökningsegenskaperna hos elektromagnetiska vågor i mikrostripkretsar . elektromagnetiska vågor propagera inte bara genom kretsmaterialet utan också genom den omgivande luften, som har en låg dielektrisk konstant . den låga dielektriska konstanten i luften affekter den effektiva dielektriken och den måste som måste vara den och den låga dielektriska konstanten med den effektiva dielektriska konstanten. krets . Vid millimetervågfrekvenser föredras vanligtvis kretsmaterial med en lägre dielektrisk konstant för att minska signalförlust, men detta kan resultera i långsammare vågutbredning och fasförskjutningar .}

 

2. stripline -teknik
StripLine är en annan tillförlitlig kretsteknologi som kan arbeta vid millimetervågfrekvenser . Det erbjuder utmärkt isolering eftersom ledaren är helt innesluten av dielektriskt material och markplan . Denna design säkerställer att elektromagnetiska vågor förökas helt inom kretsen utan att samlas med omgivningen med omgivningen {{{{{{{{{{{{{{{{{; Starta signaler i kretsen på grund av dess slutna struktur .

Creating connectors for signal input and output becomes more challenging, especially at millimeter-wave frequencies. Moreover, this technology is highly sensitive to variations in the manufacturing process, making it difficult to achieve the required tolerances. For these reasons, stripline is less commonly used in millimeter-wave circuits, except for specific applications such as automotive radar systems.

 

3. Substrate Integrated Waveguide (SIW)
Substrate Integrated Waveguide (SIW) technology is gaining increasing popularity in millimeter-wave applications, particularly in automotive radar and other communication systems. SIW combines the advantages of waveguide technology and printed circuit board (PCB) fabrication. It forms a compact rectangular waveguide using a top metal layer, a bottom ground plane, and rows of plated through-holes (Pths) . Denna design möjliggör låg förlustsignalutbredning även vid höga frekvenser .

However, the manufacturing of SIW circuits requires extremely high precision. The PTHs must be placed within very tight tolerances, especially for higher frequencies, making the fabrication process quite challenging. Additionally, SIW requires materials with minimal variations in dielectric constant, which further increases manufacturing difficulties.

 

4. jordad coplanar vågledare (GCPW)
Grounded Coplanar Waveguide (GCPW) är en annan lovande transmissionslinjeteknologi för millimetervågkretsar . GCPW-strukturen kombinerar dielektriska material och kopparledare för att uppnå låglossning av signalutbredning . Det är särskilt lämpligt för bredbands-rf, mikrovatt GCPW kan också användas i integrerade mönster där både millimetervåg- och lägre frekvenskretsar krävs på samma PCB .

But GCPW circuits are sensitive to variations in the manufacturing process, such as changes in the dielectric constant of the dielectric material, substrate thickness, and copper surface roughness. These factors may cause phase distortion, which becomes more critical at millimeter-wave frequencies. To ensure optimal performance, strict control over the manufacturing process is necessary, including maintaining precise conductor width and Tjocklek .

 

Viktiga överväganden i millimetervågskretsdesign
Eftersom millimetervågskretsapplikationer som fordonsradar och 5G trådlösa nätverk fortsätter att växa, måste designers överväga flera viktiga faktorer när de väljer kretsmaterial och transmissionslinjeteknologier:

 

Tillverkningstoleranser:

Millimetervågkretsar har extremt höga toleranskrav för ledarbredd, dielektriskt skikttjocklek och kopparytkvalitet .

Signalintegritet: Det är nödvändigt att minimera påverkan av faktorer som strålningsförlust, fasförvrängning och förändringar i den dielektriska konstanten för material för att säkerställa tillförlitlig prestanda vid höga frekvenser .

Materialval: Valet av PCB-material är avgörande för prestanda för millimetervågkretsar . Material med en låg dielektrisk konstant föredras för att minska signalförlust, men deras egenskaper måste förbli stabila vid höga frekvenser .

 

Slutsats
The design of millimeter-wave frequency circuits faces unique challenges, but at the same time, it brings enormous opportunities for emerging applications such as 5G networks and Advanced Driver Assistance Systems (ADAS). Understanding the advantages and limitations of different transmission line technologies such as microstrip lines, striplines, SIW, and GCPW is crucial for making informed decisions in the transition from microwave to Millimeter-vågdesign .