儘管天線具有不同的形狀和尺寸,但印刷電路板(PCB)天線能夠在大幅縮減尺寸的情況下保持性能不發生變化。當然,天線(包括基於PCB的天線)必須在設計和製造時確保具有最小的被動交互調變(passive intermodulation;PIM)指標,才能在當今擁擠的訊號環境中發揮最佳效能。

對於PCB天線,儘管低PIM指標主要與天線設計有關,但電路板材料對於PCB天線的整體PIM性能也有很大影響,所以也需要考慮如何選擇射頻(RF)/微波電路材料。

PIM是一種非線性的類二極體效應,當兩個或多個訊號結合時(例如來自不同的發射機),就會產生不必要的諧波訊號。當這些額外產生諧波訊號的電平夠高平、且落在接收機的可接收頻率範圍內,那麼,就可能會引起問題,干擾接收機正常偵測頻段內的訊號。雖然PIM不會對每一種應用都產生影響,但卻可能干擾無線通訊系統的正常運作,尤其是在其試圖復原較低電平訊號時。

PIM可能發生在任兩種不同金屬的連接點或介面處,例如連接器和電纜元件的連接處、天線和天線饋送的連接處。接觸不良的連接器、內部生鏽或氧化的連接器也可能會導致PIM。PCB材料也可能是PIM的來源,它可能來自於材料本身或饋電點。因此,透過瞭解不同電路板材料的參數與PIM之間的關係,將有助於選擇合適的材料,而不至於造成PCB天線的PIM性能退化問題。

PCB天線

以PCB形式製造的高頻天線可以有多種不同結構,從簡單的雙極(dipole)到基於環形諧振腔和羅特曼(Rotman)透鏡的複雜的結構。其中一種比較受歡迎的PCB天線就是微帶貼片天線,它可以在特定的頻率範圍內設計出簡單且緊湊的天線結構(如圖1)。許多產品利用多個PCB貼片天線或諧振結構,實現了波束成形網路(BFN)或相控陣天線,並透過電調方式,為雷達或通訊系統控制其薄型PCB天線結構的振幅、相位和方向。

在毫米波(mmWave)頻率下,緊湊型的平面PCB天線也越來越受到關注,例如用於汽車電子安全系統的77GHz先進駕駛輔助系統(ADAS),就以這種天線實現盲點偵測、自動煞車系統和防碰撞等功能。由於這種系統的訊號功率較低,ADAS接收機必須依靠其高靈敏度,可靠地偵測從行人和其他車輛等目標反射的雷達回波。

20180222_Rogers_TA31P1 圖1:微帶貼片天線結構是大型天線陣列的基本組成

電路層壓板的介電常數(Dk)是許多工程師在設計微帶貼片天線時首先要考慮的因素。電路板材料的Dk值對於電路尺寸的影響將透過以下表格中的四個例子進行詳細描述,其結果並顯示對於特定頻率的微帶貼片天線,其尺寸隨著Dk值的增加而縮小。

20180222_Rogers_TA31T1

該表是透過MWI-2017軟體計算而建立的,表中微帶貼片天線的尺寸,如長度(L)和寬度(W)可以利用以下的簡單方程中取得:

  • W = (c/2fr)[2/(Dkeff +1)]0.5
  • L = λ/[2(Dkeff)0.5] - 2ΔL

其中:

  • Dkeff = 微帶電路的有效介電常數;
  • λ = 基於微帶電路的波長;
  • fr = 貼片輻射元件的諧振頻率;
  • c = 自由空間中的光速;
  • ΔL = 由於電場邊際效應引起的貼片延伸長度。

微帶貼片天線單元在發射時將電磁能量(EM)輻射到自由空間,在接收時將電磁能量傳輸到連接的電路上(例如,接收器)。但貼片只是PCB天線的一個組成單元,饋線構成了另一個重要部份。饋線在連接的微帶電路和輻射貼片之間,扮演著傳輸和接收電磁能量的橋樑作用。理想情況下,貼片應呈現高輻射,而饋線則具有低輻射,從而實現能量從電路到貼片的有效傳遞。

圖2展示可用於微帶貼片天線的四種不同饋線方式,分別為:鬆耦合饋電、底層饋電(常用於多層電路中,饋線在貼片下方)、緊耦合饋電,以及四分之一波長(λ/ 4)阻抗變換器饋電。這幾種饋電方式的饋線複雜性和用途均不相同。例如,針對底層饋電的情況,設計者可以選擇外層使用最好的電路板材料以獲得最佳的輻射,也可以選擇不同的內層電路板材料,從而降低饋線的輻射和插入損耗。

20180222_Rogers_TA31P2 圖2:用於微帶貼片單元的四種不同饋線配置:(a)鬆耦合饋電;(b)底層饋電;(c)緊耦合饋電;(d)四分之一波長阻抗變換器饋電

對於天線而言,較厚的電路板材料更易於向外輻射能量。一般來說,設計諸如微帶貼片之類的天線輻射單元,應該選擇相對較厚且具有較低Dk值(例如2.2至3.5)的電路板材料。儘管更高Dk值的材料輻射效率較低,使用較高Dk值的電路板材料來設計PCB天線更具挑戰性。但當需要設計更小的貼片天線時,仍可透過最佳化設計而使用更高Dk值的電路板材料。

PIM策略

PIM較高的天線可能導致無線通訊系統中(如4G LTE無線網路)的資料遺失。這種網路仰賴分佈式天線系統(DAS)延長無線覆蓋,而新興的5G無線網路儘管頻率較高,但實際上也是如此。

對於收發系統中的兩種頻帶內載波訊號頻率f1和f2,PIM就是nf1-mf2和nf2-mf1的混合產物,其中n和m是整數。這種衍生的PIM諧波可以按一定規則進行分類,其順序由m和n之和確定,例如2f1-f2和2f2-f1(圖3)的三階分量。三階互調分量值得關注,因為它們離載波訊號最近而可能落在接收機的頻帶內,而且如果分量具有較高功率,就可能會造成接收阻塞。

20180222_Rogers_TA31P3 圖3:混合諧波導致不同階數的互調失真(IMD)

PIM諧波分量的幅度不僅是f1和f2幅度的函數,而且也是其PIM階數的函數。PIM諧波分量的幅度隨著階數的增加而減小。因此,第5、第7和第9階PIM諧波功率水準通常較小而不會影響接收器性能。

到底多低的功率電平可以認為是低PIM?這個值可能因系統而異。對於4G LTE系統使用DAS設備中所包括的一些被動元件(如連接器和電纜),-145dBc通常就夠低了。一般來說,-140dBc或更高數值被認為是較差的PIM性能,而-150dBc通常較好,-160dBc則更優越。

在專門設計的微波暗室中測量天線和其他被動元件的PIM電平時,低至-170dBc可能超出暗室測試環境雜訊水準。而當使用兩個+43dBm單音訊號進行測量時,大多數PIM測試暗室的實際雜訊級為-165dBc。

當同一天線以共同饋線同時實現發射和接收功能時,低PIM尤其重要。因為發射機和接收機都同時位於同一系統中,多個發射訊號的非線性產物總會導致不想要的互調諧波,其幅度往往足以使接收機的性能降低。瞭解不同材料特性對於PIM產生的作用,就能減少PIM對PCB天線造成的影響。

儘管大多數情況下PIM是由電路結點(如焊點或連接器)中不均勻的材料產生,但電路板材料的特性,如粗糙的銅箔表面和不同類型的電鍍表面處理,也可能會產生較低或較高的PIM電平。電路板材料中的某些參數就可以用來作為設計低PIM PCB天線的參考。

例如,相較於PCB層壓板的陶瓷或聚四氟乙烯(PTFE;塑料)介質,層壓板的銅箔表面粗糙度對於影響PIM起主要作用。同時,對於相同介質材料的電路(例如,含有玻璃或陶瓷填料的PTFE),粗糙的銅箔表面對於PIM性能的影響就要比平滑的銅箔表面更大。

為了瞭解銅箔表面粗糙度與PIM的關係,透過測試具有不同銅箔表面粗糙度的電路層壓板,分析其對於PIM性能的影響。具體方法如下:先測量每種銅箔的表面粗糙度,然後壓合成層壓板,接著在層壓板上製作微帶傳輸線測試電路,以測量對應的每種層壓板的PIM性能。結果顯示,隨著銅箔表面的粗糙度增加,對於PIM影響越來越大(圖4)。

20180222_Rogers_TA31P4 圖4:電路材料的銅箔表面粗糙度與PIM性能的關係

PCB材料製作的天線和其它被動元件在經過表面電鍍後,也會對PIM性能產生影響。鐵磁性材料(如鎳),嚴重影響PIM的性能。浸鍍錫通常比裸銅電路具有更好的PIM性能,而使用化學鎳金(ENIG)的電路由於含有鎳會產生較差的PIM性能。

電路表面的清潔度有利於降低微帶天線和其它被動元件的PIM性能。具有防焊功能的電路通常比裸銅電路具有更好的PIM性能。清潔的電路、毫無殘留的濕法化學處理,是降低PIM性能的重要基礎。電路中帶有任何形式的離子污染物或殘留物,可能會導致較差的PIM性能。

同樣地,電路的蝕刻品質對於改善PIM性能也十分重要。如果銅箔導體沒有被充份地腐蝕掉,導致電路邊緣產生粗糙和毛刺,這種情況也可能使PIM性能退化。

只要仔細地選擇電路板材料,就可能為被動元件或電路提高其PIM性能。不過,就算使用了低PIM的材料,某些類型的電路也可能因其結構較易受PIM影響,而無法改善其PIM性能。例如,羅傑斯公司(Rogers Corp.)以32.7mil厚的RO4534電路板材料進行相關的實驗。這種天線層壓板的特性是:Dk為3.4,容差為±0.08,在10GHz時的低損耗因數(低損耗)為0.0027。

使用這種相同的電路板材料製造出三種不同的電路,分別為傳輸線、帶通濾波器、低通濾波器(圖5)。即使這些電路是基於同一電路板材料製造的,但由於PIM受到電流密度的影響,造成PIM的差異就非常顯著。相較於簡單的傳輸線電路,濾波器具有較高的電流密度,從而產生更高的PIM諧波。而當使用兩個+43dBm的單音訊號對微帶傳輸線進行測試評估時,RO4534材料呈現出-157dBc的低PIM性能。

20180222_Rogers_TA31P5 圖5:採用相同低PIM材料製造的三種不同電路,分別呈現出不同的PIM性能:具有更高電流密度的電路

如實驗所示,常用於天線饋電的簡單傳輸線電路,幾乎可以達到接近材料的額定PIM水準。儘管如此,PIM性能也與電路配置密切相關,不同的電路導致最終的PIM性能差異。