精確表征頻率相關的非均質介質材料特性是優化設計高性能及高性價比PCB天線的關鍵。這些天線將用于大量5G、6G通信預測設備。IT-88GMW是為了提高PCB層壓板上互連和無源元件的Q因子而采用緊密編織薄玻纖增強的高階樹脂系統。

介質材料的電氣和熱機械特性主要決定了高速電路的性能。因此，推薦實施表征方法，以提供在實際應用中材料性能的相關信息。與其通過假設信號在最佳性能方向上的傳播，將表征局限于僅獲得特定頻率下的標稱數據，不如分析材料在不同方向和位置上的特性。這樣可使設計師能夠更清楚地了解實際中預期的變化量，而不是通常假設的簡化設計周期的理想條件。

選擇用于高速、高頻天線設計的層壓板材料時，復合材料的屬性是決定天線貼片和互連網絡能否滿足損耗、時延和阻抗匹配等要求的關鍵參數。PCB層壓板通常有兩種制造方法:

·用樹脂浸漬和增強玻纖織物。

·用無紡玻纖或替代填加劑增強樹脂系統，以控制熱膨脹系數。

除了最佳電氣性能外，高速、高頻應用介質材料的設計還應具有更好的熱可靠性、尺寸穩定性和低吸濕性。這些系統的核心樹脂基體已從標準環氧樹脂發展為聚烯烴樹脂，其表現出類似PTFE基材所需具備的電氣性能，但也存在低可靠性風險。圖1簡要說明了這些樹脂化學性能目標。

圖1：樹脂化學物質介電屬性的發展

除了介電特性外，導體損耗（由于電阻率和趨膚深度）是層壓板選擇的重要標準。銅的表面粗糙度在5G、6G通信所需的毫米波頻率下觀察到的衰減增加中起著重要作用。就這一點而言，銅的供應商已經響應了行業需求，大大提高了表面粗糙度，最大限度地減少趨膚效應并提高剝離強度，以促進介質材料與處理后銅箔的最佳附著。圖2顯示了銅表面形貌的改善。

圖2:顯示銅粗糙度的Rz測量值

PCB樣品說明

ITEQ Corporation和INAOE合作設計了兩種測試載體，以研究貼片天線結構隨空間材料不均勻性和毫米波頻率而變化的Dk和Df的敏感性。表1所示的4層混合材料疊層采用ITEQ的IT-88GMW高性能射頻材料設計；芯材為5mil，由1/2盎司超低粗糙度銅制成。

表1:為天線選擇的射頻材料屬性

該關鍵層由非功能性的50密耳標準IT-180高Tg材料芯材和半固化片支撐，以提高剛度，并最大限度地減少由于較薄的射頻級性能介質芯材翹曲或彎曲而引起的測量誤差。疊層細節、微帶阻抗目標、表面涂層和層尺寸如圖3所示。

圖3:樣品的疊層結構

大多數PCB層壓板的成分不均勻會導致材料復介電常數的局部變化，這反過來又會影響在高頻下運行的互連性能。水平面的這些局部變化主要是由纖維編織引起的，并且已被證明會導致傳輸線互連所表現出的周期性負載效應。綜合研究通過嚴格的數值和圖形方法預測了這些共振發生的頻率，該方法考慮了纖維編織束和走線角度（相對于束）之間的間距。

圖4:用于測試載體制造的PCB序列化布局

為了研究這種周期性負載現象對貼片天線的影響，使用以下布線Ф角（0°、3°、7°、10°）來確定微帶結構相對于編織緯線的方向。圖2給出了制造的PCB結構的序列化布局。

圖5:貼片天線測量

每個序列化樣片都具有一端（用于射頻貼片）和兩端（用于單端微帶線）端接的傳輸線段，并帶有接地信號接地(GSG)焊盤，因此可以使用200μm間距的共面射頻探針執行高達103GHz的高頻S參數測量。測試結構如下：

·4組5mm、15mm和30mm長的微帶線，方向分別為0°、3°、7°和10°。

·2組天線貼片，每個貼片的方向為0°、3°、7°和10°，由5mm和10mm微帶線饋電。

測量結果和總結

在IT-88GMW材料上布線的天線與目標共振頻率的標準偏差約為0.17。諧振幅度在所有旋轉位置顯示出最佳反射系數（最大為-36.3dB）（注意：對于高效貼片天線，最小所需增益為-10dB）。與數據表值(~3.0Dk)相比，IT-88GMW顯示出1.34%的Dk變化，反映了整個旋轉度。

從這項調查中獲得的數據表明，IT-88GMW是一種為W波段頻率天線設計的最佳覆銅板材料。

審核編輯：湯梓紅