Að skilja umskiptin frá örbylgjuofnum yfir í millimetra bylgjur í PCB hönnun

 

Á sviði rafrænna verkfræði stendur hönnun prentaðra hringrásar (PCB) frammi fyrir fjölmörgum áskorunum og umbreytingum þegar rekstrartíðni eykst og umskipti frá örbylgjutíðni bandalagsins yfir í millimetra bylgju tíðnisviðið tákna mikilvæga tæknibúnað.

Örbylgjuofnar vísa almennt til rafsegulbylgjna með tíðni milli 300MHz og 30GHz, mikið notaðar í samskiptum (svo sem ratsjár, gervihnattasamskiptum), siglingar og öðrum sviðum. Tiltölulega þroskað tæknikerfi hefur verið myndað fyrir PCB hönnun í þessu tíðnisvið. Til dæmis, í háspennulínuhönnun, er umfangsmikil hagnýt reynsla af því að stjórna einkennandi viðnám mannvirkja eins og microstrip línur og striplines og tryggja heiðarleika merkja.

Millimetrar bylgjur eru aftur á móti rafsegulbylgjur með tíðni á bilinu 30GHz til 300GHz. Undanfarin ár hafa þeir vakið verulega athygli vegna nýjar kröfur um notkun eins og 5G\/6G samskipti, sjálfstæðan akstursratsjár og myndgreiningar á mikilli nákvæmni. Þegar skipt er yfir í millimetra bylgjur þarf PCB hönnun að taka á röð nýrra vandamála:

 

1.. Micostrip Line tækni
MicroStrip lína er ein einfaldasta og oftast notaða háspennulínutækni í örbylgjuofnum, þökk sé auðveldum framleiðslu og háum ávöxtun. Engu að síður, þegar þeir eru breytilegir í millimetrabylgjutíðni, standa frammi fyrir fjölmörgum verulegum áskorunum. Eitt lykilatriði er geislunartap. Við hærri tíðni hafa microstrip hringrásir tilhneigingu til að haga sér eins og loftnet og geisla orku í loftið í kring. Þetta leiðir til óþarfa merkistaps, sem verður alvarlegri eftir því sem tíðnin eykst. Að auki þarf framleiðslu á microstrip hringrásum mjög mikilli nákvæmni, með ströngum vikmörkum fyrir breidd leiðara og koparþykkt. Þegar tíðnin eykst verða þolkröfur enn strangari og lítil frávik í framleiðsluferlinu geta valdið alvarlegum afköstum.

Önnur áskorun liggur í útbreiðslueinkennum rafsegulbylgjna í microstrip hringrásum. Rafsegulbylgjur fjölga ekki aðeins í gegnum hringrásarefnið heldur einnig í gegnum loftið í kring, sem er með lágan rafstöðugleika. Lágt rafstöðugildi lofts hefur áhrif á skilvirkan rafstöðugleika í allri hringrásinni og verður að taka tillit til þess þegar hringrásin er gerð. Við millimetrabylgjutíðni er venjulega ákjósanlegt að hringrás með lægri rafstöðugildi sé valið að draga úr merkistapi, en það getur leitt til hægari bylgjuútbreiðslu og fasaskipta.

 

2.. Stripline tækni
STRIPLINE er önnur áreiðanleg hringrásartækni sem getur starfað við millimetrabylgjutíðni. Það býður upp á framúrskarandi einangrun vegna þess að leiðarinn er fullkomlega lokaður af dielectric efni og jarðflugvélum. Þessi hönnun tryggir að rafsegulbylgjur breiðist alfarið í hringrásarefnið án þess að hafa samskipti við loftið í kring. Hins vegar er vandamálið með stripline að það er erfitt að ræsa merki inn í hringrásina vegna meðfylgjandi uppbyggingar þess.

Að búa til tengi fyrir inntak og framleiðsla merkis verður erfiðari, sérstaklega á millimetrabylgjutíðni. Ennfremur er þessi tækni mjög viðkvæm fyrir breytileika í framleiðsluferlinu, sem gerir það erfitt að ná tilskildum vikmörkum. Af þessum ástæðum er stripline sjaldnar notaður í millimetra bylgjurásum, nema fyrir sérstök forrit eins og bifreiðar ratsjárkerfi.

 

3.
Undirlags samþætt bylgjustýring (SIW) tækni nýtur vaxandi vinsælda í millimetrabylgjuforritum, sérstaklega í ratsjá í bifreiðum og öðrum samskiptakerfum. SIW sameinar kosti bylgjustýringartækni og prentuðu hringrásarborðs (PCB). Það myndar samsniðið rétthyrnd bylgjustjórn með því að nota efstu málmlag, neðri jörð plan og raðir af plata í gegnum holur (PTH). Þessi hönnun gerir kleift að fjölga merkjum við lágt tap jafnvel við háar tíðnir.

Hins vegar þarf framleiðsla SIW hringrásar mjög mikil nákvæmni. Setja verður PTHS innan mjög þéttrar vikmörk, sérstaklega fyrir hærri tíðni, sem gerir framleiðsluferlið nokkuð krefjandi. Að auki þarf SIW efni með lágmarks breytileika í rafstöðugildi, sem eykur enn frekar framleiðsluörðugleika.

 

4. jarðtengdur Coplanar bylgjustjóri (GCPW)
Jarðað Coplanar bylgjustjóri (GCPW) er önnur efnileg háspennulínutækni fyrir millimetra bylgjurásir. GCPW uppbyggingin sameinar dielectric efni og koparleiðara til að ná fram fjölgun merkja með lágt tap. Það er sérstaklega hentugur fyrir breiðband RF, örbylgjuofn og millimetra bylgju, svo sem prófunar- og mælikerfi. Einnig er hægt að nota GCPW í samþættum hönnun þar sem bæði millimetra bylgju- og lægri tíðnirásir eru nauðsynlegar á sama PCB.

En GCPW hringrásir eru viðkvæmar fyrir breytileika í framleiðsluferlinu, svo sem breytingar á rafstöðugleika rafstraumsins, undirlagsþykkt og kopar yfirborðs ójöfnur. Þessir þættir geta valdið röskun á fasa, sem verður mikilvægari við millimetrabylgjutíðni. Til að tryggja hámarksárangur er strangt eftirlit með framleiðsluferlinu nauðsynlegt, þar með talið að viðhalda nákvæmri breidd leiðara og þykkt.

 

Lykilatriði í millimetra bylgjuhringshönnun
Þar sem millimetra bylgjurásarforrit eins og bifreiðarratsjár og 5G þráðlaus netkerfi halda áfram að vaxa, verða hönnuðir að huga að nokkrum lykilþáttum þegar þeir velja hringrásarefni og háspennulínutækni:

 

Framleiðsluþol:

Millimetrar bylgjurásir hafa afar mikla þolkröfur um breidd leiðara, þykkt lagalaga og kopar yfirborðsgæði.

Heiðarleiki merkja: Nauðsynlegt er að lágmarka áhrif þátta eins og geislunartap, röskun á fasa og breytingum á rafstöðugleika efna til að tryggja áreiðanlega afköst við háa tíðni.

Efnival: Val á PCB efni skiptir sköpum fyrir afköst millimetra bylgjurásanna. Efni með lágan rafstöðugildi eru ákjósanleg til að draga úr tapsmissi, en eiginleikar þeirra verða að vera stöðugir við háar tíðnir.

 

Niðurstaða
Hönnun millimetra bylgju tíðnisrásir stendur frammi fyrir einstökum áskorunum, en á sama tíma færir það gríðarleg tækifæri fyrir ný forrit eins og 5G net og háþróað ökumannsaðstoðarkerfi (ADAs). Að skilja kosti og takmarkanir mismunandi háspennulínutækni eins og microstrip línur, striplines, siw og gcpw skiptir sköpum fyrir að taka upplýstar ákvarðanir í umskiptum frá örbylgjuofni yfir í millimetra bylgjuhönnun.