Анализ влияния технологических параметров печатных плат на характеристики антенного элемента. Часть 3. Медная фольга толщиной 15 мкм

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

Часть 1. Введение (читайте первую часть по ссылке).

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

2.1 Антенный элемент, состоящий из 9 патчей.

Рассмотрен вариант антенного элемента, состоящего из 9 патчей (рис.2.1а). Антенный элемент выполнен на материале RO3003 толщиной 0,127 мм. Этот вариант антенного элемента выполнен из меди самого высокого качества – толщина катанной (RLD) меди составляет 15 мкм, а уровень поверхностной шероховатости (Rq) медной фольги составляет 0,3 мкм. Данный вариант реализации антенного элемента рассматривается для случая изготовления антенной части РЛД из базовой меди.

Рис.2.1а

На рис.2.1б представлен график КСВН для рассматриваемого антенного элемента.

Рис.2.1б

Из графика КСВН (рис.2.1б) видно, что в диапазоне частот 76,76 ГГц – 80,34 ГГц величина КСВН удовлетворяет предъявленным требованиям (маркеры m2, m3, m4). В диапазоне частот 76 ГГц – 76,76 ГГц значение КСВН не превышает 3,5 (маркер m1 на рис.2.1б). В диапазоне частот 80,34 ГГц – 81 ГГц значение КСВН не превышает 2,5 (маркер m5 на рис.2.1б).

На рис.2.1в представлен график ДН антенного элемента в угломестной плоскости.

Рис.2.1в

Из графика ДН (рис.2.1в) видно, что спроектированный антенный элемент имеет ширину главного лепестка в угломестной плоскости (по уровню -3 дБ) около 12° (маркеры m1, m2 и m3), а уровень боковых лепестков (УБЛ) не превышает -17 дБ (маркеры m1 и m5), кроме лепестка в направлении 62°, уровень которого составляет 15,86 дБ (маркер m4). Максимум главного лепестка ДН не имеет отклонений от нормали (маркер m1).

На рис.2.1г представлен график ДН антенного элемента в азимутальной плоскости.

Рис.2.1г

Из графика ДН (рис.2.1г) видно, что спроектированный антенный элемент имеет ширину главного лепестка в азимутальной плоскости (по уровню -3 дБ) около 82° (маркеры m1, m2 и m3).

На рис.2.1д представлен график ДН антенного элемента в угломестной плоскости на трех частотах диапазона – 76 ГГц, 78,5 ГГц и 81 ГГц.

Рис.2.1д

Из графика (рис.2.1д) видно, что отклонения главных лепестков ДН на крайних частотах рабочего диапазона (76 ГГц и 81 ГГц) находятся в пределах ±5° (маркеры m2 и m3), а УБЛ в худшем случае (частота 76 ГГц) составляет не менее 10 дБ (маркеры m2 и m5).

Как видно из представленных графиков, антенный элемент, состоящий из 9 патчей и выполненный на медной фольге высокого качества (HQ – High Quality), позволяет получить уровень КСВН, а также боковых лепестков (УБЛ), близкими к требуемым. Поэтому ниже рассматривается влияние ряда технологических параметров на характеристики антенного элемента.

Точность изготовления топологии оказывает существенное влияние на характеристики антенного элемента. Оценка точности изготовления топологии производится с помощью специального коэффициента формы k, который меняется в заданном диапазоне значений.

Также анализ выхода «годных» проводится, при изменении толщины подложки (H=0,127мм) ядра RO3003, при изменении диэлектрической константы (Dk=3,03) ядра.

Оценка влияния изменений поверхностной шероховатости (Rq) и толщины медной фольги для рассматриваемого антенного элемента не проводятся, т.к. подразумевается, что в процессе производства эти параметры остаются неизменными или претерпевают незначительные изменения, не оказывающие существенного влияния на характеристики антенного элемента.

Анализ процента выхода годных выполняется методом Монте-Карло [1] и проводится для выборки равной 1000. В качестве критериев «годности» выбраны следующие условия: 

• КСВН (VSWR) < 3 в диапазоне 77 – 81 ГГц, т.е. настройка антенного элемента по частоте (п.2.2);

• УБЛ (абсолютное значение) < -2 дБ (на центральной частоте рабочего диапазона 78,5 ГГц) в диапазоне углов [-80°;-20°] и [20°;80°] (п.2.3);

• Уровень главного лепестка ДН не менее 10 дБ в диапазоне углов [-3°;3°] (п.2.4);

• Суммарный критерий по п.п.2.2 – 2.4 (п.2.5).
  

2.2 Оценка влияния по КСВН.

При КСВН ≥ 3 антенный элемент признается не годным. На графике (рис.2.2а) приведен разброс значений КСВН при изменении различных параметров: коэффициента формы (k), толщины подложки (H), относительной диэлектрической проницаемости подложки (Dk).

Рис.2.2а

Чувствительность антенного элемента к точности изготовления топологии (определяется коэффициентом формы k в [мм]) представлена на рис.2.2б.

Рис.2.2б

Чувствительность антенного элемента к изменению толщины диэлектрика (определяется Н в [мм]) представлена на рис.2.2в.

Рис.2.2в

Чувствительность антенного элемента к изменению относительной диэлектрической постоянной диэлектрика (определяется Dk) представлена на рис.2.2г.

Рис.2.2г

Оценка выхода годных по критерию КСВН < 3 составляет 65 %.

Из представленных графиков видно, что антенный элемент с расширенной рабочей полосой частот обладает относительно высокой чувствительностью к изменению коэффициента формы (рис.2.2б). Для получения выхода годных не менее 70% необходимо, чтобы точность изготовления антенного элемента была не хуже, чем 0…+30 мкм. (При условии, что рассматривается критерий КСВН < 3. При другом критерии оценка чувствительности изменится).

2.3 Оценка влияния по уровню боковых лепестков.

При УБЛ ≥ -2 дБ (на центральной частоте рабочего диапазона 78,5 ГГц в диапазоне углов [-80°;-20°] и [20°;80°]) антенный элемент признается не годным. На графике (рис.2.3а) приведен разброс значений ДН антенного элемента при изменении различных параметров: коэффициента формы (k), толщины подложки (H), относительной диэлектрической проницаемости подложки (Dk).

Рис.2.3а

Чувствительность антенного элемента к точности изготовления топологии (определяется коэффициентом формы k в [мм]) представлена на рис.2.3б.

Рис.2.3б

Чувствительность антенного элемента к изменению толщины диэлектрика (определяется Н в [мм]) представлена на рис.2.3в.

Рис.2.3в

Чувствительность антенного элемента к изменению величины относительной диэлектрической постоянной диэлектрика (определяется Dk) представлена на рис.2.3г.

Рис.2.3г

Оценка выхода годных по критерию УБЛ < -2 дБ составляет 74 %. 

Из представленных графиков видно, что антенный элемент с расширенной рабочей полосой частот обладает относительно высокой чувствительностью к изменению коэффициента формы (рис.2.3б). Для получения выхода годных не менее 70% необходимо, чтобы точность изготовления антенного элемента была не хуже, чем -20…+30 мкм. (При условии, что рассматривается критерий УБЛ < -2 дБ. При другом критерии оценка чувствительности изменится).

2.4 Оценка влияния по уровню и направлению главного лепестка.

При уровне главного лепестка ≤ 10 дБ (на центральной частоте рабочего диапазона 78,5 ГГц в диапазоне углов [-3°;3°]) антенный элемент признается не годным. На графике (рис.2.4а) приведен разброс значений ДН антенного элемента при изменении различных параметров: коэффициента формы (k); толщины подложки (H); относительной диэлектрической проницаемости подложки (Dk).

Рис.2.4а

Чувствительность антенного элемента к точности изготовления топологии (определяется коэффициентом формы k в [мм]) представлена на рис.2.4б.

Рис.2.4б

Чувствительность антенного элемента к изменению толщины диэлектрика (определяется Н в [мм]) представлена на рис.2.4в.

Рис.2.4в

Чувствительность антенного элемента к изменению относительной диэлектрической постоянной диэлектрика (определяется Dk) представлена на рис.2.4г.

Рис.2.4г

Оценка выхода годных по критерию уровень главного лепестка ≤ 10 дБ (на центральной частоте рабочего диапазона 78,5 ГГц в диапазоне углов [-3°;3°]) составляет 77,3%. 

Из представленных графиков видно, что антенный элемент с расширенной рабочей полосой частот обладает высокой чувствительностью к коэффициенту формы (рис.2.4б). Для получения выхода годных по указанному критерию более 70% необходимо, чтобы точность изготовления антенного элемента была не хуже ±25 мкм. (При условии, что рассматривается критерий уровень главного лепестка ≤ 10 дБ (на центральной частоте рабочего диапазона 78,5 ГГц в диапазоне углов [-3°;3°]). При другом критерии оценка чувствительности изменится).

2.5 Результирующая оценка

В этом пункте приводится оценка чувствительности антенного элемента к таким параметрам, как коэффициента формы (k); толщины подложки (H); относительной диэлектрической проницаемости подложки (Dk) по всем критериям, указанным в п.п. 2.2 – 2.4.

Чувствительность антенного элемента к точности изготовления топологии (определяется коэффициентом формы k в [мм]) представлена на рис.2.5а.

Рис.2.5а

Чувствительность антенного элемента к изменению толщины диэлектрика (определяется Н в [мм]) представлена на рис.2.5б.

Рис.2.5б

Чувствительность антенного элемента к изменению относительной диэлектрической постоянной диэлектрика (определяется Dk) представлена на рис.2.5в.

Рис.2.5в

Выход годных, по результирующей оценке, составляет всего 44,4 %.

Из представленных графиков видно, что антенный элемент с расширенной рабочей полосой частот обладает высокой чувствительностью к коэффициенту формы k (рис.2.5а). Для получения выхода годных по совокупности рассматриваемых критериев не менее 40% (в рамках рассматриваемой выборки) необходимо, чтобы точность изготовления антенного элемента была не хуже -10…+20 мкм. Также видно, что введение «жесткого» критерия, связанного с угловым положением и уровнем главного лепестка ДН в угломестной плоскости, заметно снижает выход годных при вариации других параметров (рис.2.5б, рис.2.5в). (При условии, что рассматриваются указанные критерии. При другом наборе критериев оценка чувствительности изменится).

Для того, чтобы оценить степень влияния других параметров (помимо коэффициента формы) на ДН (в угломестной плоскости, как наиболее чувствительной характеристики) антенного элемента, обратимся к рис.2.5г, на котором приведена диаграмма Парето. Диаграмма Парето для статистических переменных при измерении ДН в угломестной плоскости показывает, какая переменная вносит наибольший вклад в выбранное измерение.

Рис.2.5г

Как видно из диаграммы (рис.2.5г), наибольшее влияние на ДН антенного элемента оказывает значение относительной диэлектрической проницаемости подложки. Однако, в процессе производства антенного элемента этот параметр не контролируется, а данные по Dk берутся такими, как есть, с сайта производителя [2]. Поэтому, как уже было отмечено выше, необходимо жестко контролировать изменение Dk от одной партии материала к другой и своевременно вносить изменения в топологию разрабатываемой структуры, учитывая изменения Dk.

На втором месте, по степени влияния на ДН антенного элемента, находится толщина медной фольги. Однако в рамках данного раздела подразумевается, что толщина медной фольги (Т) либо постоянна, либо изменяется незначительно. Таким образом, изменение Т не должно оказывать влияния на характеристики антенного элемента.

При моделировании не учитывался ряд параметров, которые также могут оказывать существенное влияние на характеристики антенного элемента (например, анизотропия диэлектрика подложки, величина углов подтрава). Это связано с тем, что на текущий момент времени по этим параметрам нет достоверной информации, позволяющей учесть влияние этих параметров на характеристики антенного элемента при математическом моделировании.

Подводя итоги, можно отметить:

• что антенный элемент, изготовленный из высококачественной меди, более чувствителен к ряду технологических параметров, чем, антенный элемент, изготовленный из низкокачественной меди;
• в процессе производства необходимо контролировать точность изготовления топологии антенного элемента (в том числе углы подтрава, особенно при «толстой» меди);
• при производстве необходимо контролировать качество поверхности проводников (Rq) таким образом, чтобы уложиться в определенный диапазон значений;
• для минимизации потерь в проводниках необходимо уменьшать величину поверхностной шероховатости (Rq);
• для того, чтобы контролировать выход годных изделий, необходимо заранее знать величину диэлектрической постоянной (Dk) конкретной партии материала в рабочем диапазоне частот, что существенно усложняет процесс подготовки к производству;
• получить работоспособную структуру возможно при использовании стандартного технологического процесса, когда финальная толщина медного проводника колеблется в диапазоне от 55 мкм до 75 мкм;
• для снижения влияния некоторых технологических параметров на характеристики проектируемой структуры можно предусмотреть ряд конструктивных решений – например, расширить полосу рабочих частот антенного элемента таким образом, чтобы при вариации технологических параметров КСВН оставался в области рабочих значений.

В завершении также важно отметить, что рассмотренные математические модели (топологии) антенных элементов не являются финальными вариантами исполнения для рабочего изделия, а приведены лишь для того, чтобы показать каким образом изменяются рабочие характеристики структуры в зависимости от вариации технологических параметров.

      (Все расчеты выполнены в САПР СВЧ AWR DE).

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»