Анализ влияния технологических параметров печатных плат на характеристики антенного элемента, входящего в состав антенной системы радиолокационного датчика системы ADAS диапазона 76 – 81 ГГц

Автор: Ревуцкий Степан Дмитриевич, ведущий инженер-разработчик СВЧ устройств ООО "НПП "ИТЭЛМА", автор блога "СВЧушки".

Уважаемые коллеги, из-за того, что исходная статья содержит более 40 страниц, было принято решение разбить ее на три части, чтобы представленную информацию было проще воспринимать:

Часть 1. Введение – содержит исходные данные и постановку задачи для исследования.

Часть 2. Медная фольга толщиной 66 мкм – рассматривается антенный элемент, выполненный на материале RO3003 с толщиной медной фольги 66 мкм (читайте вторую часть статьи по ссылке). 

Часть 3. Медная фольга толщиной 15 мкм – рассматривается антенный элемент, выполненный на материале RO3003 с толщиной медной фольги 15 мкм. Также в конце третьей части приведены некоторые выводы, подводящие итог по проведенному исследованию (заключительную часть статьи вы можете прочитать по ссылке).

Часть 1. Введение

Как уже было сказано в предыдущем материале [8], создание планарных устройств в миллиметровом диапазоне частот добавляет инженеру-разработчику проблем, т.к. разрабатываемые структуры становятся более чувствительными к параметрам материала (диэлектрическая проницаемость, толщина металлизации), а также появляется необходимость учитывать те параметры, которые на низких частотах не оказывали существенного влияния на характеристики разрабатываемого устройства – речь идет о поверхностной шероховатости проводников (surface roughness).

В приведенном материале рассматриваются некоторые параметры печатных плат (ПП), оказывающие влияние на характеристики одиночного антенного излучателя, входящего в состав антенной системы радиолокационного автомобильного датчика (РЛД), работающего в диапазоне 76 – 81 ГГц. Представлен вариант антенного излучателя, выполненного на материале RO3003. Сделана попытка провести статистическую оценку влияния ряда параметров на характеристики антенного элемента.

В таблице 1 приведены значения относительной диэлектрической проницаемости (Dk) для различных вариантов материала RO3003 в рабочем диапазоне частот (76 – 81 ГГц) [2], [8].

Таблица 1

В таблице приняты следующие обозначения: Т – толщина медной фольги (мкм); Rq – поверхностная шероховатость (RMS) медной фольги (мкм); RLD – катанная медь; ED – электроосажденная медь.

Из таблицы 1 видно, что материалы с разной толщиной и качеством медной фольги обладают разными Rq – чем ниже качество фольги, тем выше Rq, следовательно, выше потери. Также видно, что изменяется величина диэлектрической постоянной – Dk. Как следствие, 50-омная микрополосковая линия (МПЛ), выполненная с использованием разной фольги, будет иметь разные геометрические размеры (см. таблицу 2). Как будет показано ниже, наилучшим вариантом для изготовления антенного элемента является катанная (RLD) медь с наименьшей величиной шероховатости (Rq), т.к. применение такой меди позволяет существенно снизить потери в МПЛ (см. таблицу 3).

В таблице 2 приведена [8] ширина 50-омной МПЛ (W₅₀), выполненной из разных типов медной фольги. Расчеты выполнены для центральной частоты рабочего диапазона 78,5 ГГц.

Таблица 2

В таблице 3 приведены данные по потерям в 50-омной линии длиной 10 мм при различных типах медной фольги [2], [8]. Расчеты выполнены для центральной частоты рабочего диапазона 78,5 ГГц.

Таблица 3

Из данных, приведенных в таблице 3 видно, что МПЛ с электроосажденной медью (ED) имеет потери, которые более чем в два раза превышают потери МПЛ с катанной (RLD) медью. Поэтому при проектировании антенного элемента необходимо минимизировать потери за счет уменьшения длины антенного элемента, а также за счет использования медной фольги с наилучшим возможным качеством поверхности.

Ниже приведены требования, предъявляемые к одиночному антенному элементу:

1. КСВН ≤ 2 в рабочем диапазоне частот 76 – 81 ГГц;

2. Ширина главного лепестка ДН в угломестной плоскости 15° – 18° по уровню -3 дБ (на центральной частоте рабочего диапазона – 78,5 ГГц);

3. Ширина главного лепестка ДН в азимутальной плоскости 60° – 90° по уровню -3 дБ (на центральной частоте рабочего диапазона – 78,5 ГГц);

4. Уровень боковых лепестков (УБЛ) -20 дБ – -17 дБ относительно главного лепестка (на центральной частоте рабочего диапазона – 78,5 ГГц);

5. Отклонение главного лепестка от нормали ±3° (на центральной частоте рабочего диапазона – 78,5 ГГц).

Источники и ссылки:

1. «Практикум проектирования СВЧ устройств с помощью программы Microwave Office», А.А.Курушин, 2011 г.;

2. MWI-2019 на момент подготовки материала (апрель 2020);

3. «Copper Foils for High Frequency Materials», Rogers Corporation, 2019 г.;

4. «Surface roughness terminology and parameters»;

5. «Choosing copper foils for HighFrequency PCBs», John Coonrod, статья из журнала «Printed circuit Design & FAB/Circuits Assembly», октябрь 2016 г.;

6. «Effect of conductor profile on the insertion loss, phase constant, and dispersion in thin high frequency transmission lines», Allen F. Horn, John W. Reynolds, Patricia A., James C. Rautio, материалы DesignCon 2010;

7. «Circuit Materials Secure Automotive Safety Systems», автор Joey Keller, статья опубликована на портале mwrf.com;

8. «Расчет волнового сопротивления с помощью MWI-calculator от Rogers»

Мы всегда рады сотрудничеству с новыми авторами. Если у вас есть уникальная экспертиза или просто качественный материал, полезный инженерам-разработчикам электроники, мы с удовольствием поделимся им на страницах раздела Авторские статьи. Присылайте свои статьи на почту articles@rezonit.ru