如何為低PIM PCB天線選擇合適的電路板材料

儘管天線具有不同的形狀和尺寸，但印刷電路板(PCB)天線形式仍能夠在較大程度減小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)必須在設計和加工時確保其具有最小的無源互調(PIM)指標，才能在現在擁擠的信號環境中發揮其最佳性能。

對於PCB天線，儘管低PIM指標主要與天線設計相關，但電路板材料對PCB天線的整體PIM性也有很大影響，所以低PIM天線也需要考慮怎樣選擇RF/微波電路材料。

PIM是一種非線性的類二極體效應，當兩個或多個信號混合時(例如來自不同的發射機)，就會產生不必要的諧波信號。當這些額外產生的諧波信號具有足夠高的電平，並且落在接收機的可接收頻率範圍內時，那麼，就可能會引起問題，干擾接收機帶內信號的接收正常。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信系統的正常工作，尤其是在其試圖接收較低電平信號時。

PIM可以發生在任何兩種不同金屬的連接點或介面處，例如連接器和電纜組件的連接處，天線和天線饋源的連接處。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，也可能來自饋電點。因此，通過了解不同的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性能問題。

以PCB形式設計的高頻天線可以有多種不同結構，從簡單的偶極子，到基於環形諧振腔和羅特曼透鏡的複雜的結構。其中一種比較受歡迎的PCB天線就是微帶貼片天線，它可以在給定的頻率範圍內設計出簡單緊湊的天線構結(如圖1)。許多產品利用多個PCB貼片天線或諧振結構，來實現波束成形網路(BFN)或相控陣天線，並通過電調方式來控制雷達或通信系統中PCB天線的振幅，相位和方向。

在毫米波頻率下，緊湊型的微帶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高級駕駛輔助系統(ADAS)，就以這種天線實現盲點檢測，自動制動系統和防碰撞等功能。由於這種系統的信號功率較低，ADAS接收機就必須依靠其高靈敏度，可靠地檢測從行人和其他車輛等目標反射的雷達回波。

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值對電路尺寸的影響，在表1中的四個例子中有詳細的描述，結果顯示對給定頻率的微帶貼片天線，貼片尺寸隨著Dk值的增加而縮小。

該表是通過MWI-2017軟體計算完成， 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計算得到：

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=由於邊緣場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PCB天線的一個重要組成單元，饋線構成了另一個重要部分。饋線在微帶電路和輻射貼片之間，起到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，而饋線應呈現低輻射，從而實現能量從電路到貼片的有效傳遞。

圖2展示了可用於微帶貼片天線的四種不同饋線方式，分別為：松耦合饋電，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，饋線的複雜性和用途均不相同。例如，對於底層饋電的情況，設計者可以通過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，來降低饋線的輻射和插入損耗。

圖2：四種用於微帶貼片單位不同的饋線：(a)松耦合饋電、(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

對天線來講，較厚的電路板材料更容易向外輻射能量。一般來說，設計諸如微帶貼片之類的天線輻射單元，應該選擇相對較厚並且具有較低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，仍可通過優化設計而使用更高Dk值的電路板材料。

PIM較高的天線可能會導致無線通信系統中(如4G LTE無線網路的分散式天線系統)數據的丟失。而對於新興的5G無線網路，儘管其頻率較高，實際也是如此。

對於收發系統中的兩個帶內載波信號頻率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(如圖3)的三階分量。三階交調分量值得關注，因為它們離載波信號最近從而可能落在接收機的頻帶內，並且，如果分量具有較高功率，就可能會造成接收機發生阻塞。

圖3：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，而且還是其階數的函數。PIM諧波分量的幅度隨著階數的增加而減小。因此，第五，第七和第九階PIM諧波功率水平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系統中使用的DAS設備中包括的一些無源組件(如連接器和電纜)，-145dBc通常被認為足夠低。然而一般來說，-140dBc或更高數值被認為是較差的PIM性能，而-150dBc被認為是較好的，-160dBc則是優秀的。

在專門設計的微波暗室中測量天線和其他無源器件的PIM電平，低至-170 dBc可能超出暗室測試環境雜訊水平。 當使用兩個+43dBm單音信號進行測量時，大多數PIM測試暗室的實際雜訊級別為-165dBc。

當同一副天線通過共同的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，多個發射信號的非線性產物總會導致不想要的互調諧波，其幅度往往足以惡化接收機的性能。通過了解不同材料特性的PIM產生特性，可以減小PIM對PCB天線帶來的影響。

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，相比PCB層壓板的陶瓷或PTFE介質，層壓板的銅箔表面粗糙度對影響PIM起主要作用。同時，對於相同介質材料的電路(例如，含有玻璃布或陶瓷填料的PTFE)，粗糙的銅箔表面對PIM的影響就要比平滑的銅箔表面更大。

為了更好地理解銅箔表面粗糙度與PIM的關係，通過測試具有不同銅箔表面粗糙度的電路層壓板，分析其對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。結果表明，隨著銅箔表面粗糙度的增加，對PIM影響越來越大(如圖4)。

圖4：電路材料的銅箔表面粗糙度與PIM性能的關係。

PCB材料製作成天線和其它無源器件，經過表面電鍍後，也會對PIM性能產生影響。鐵磁性材料(如鎳)，會嚴重影響PIM的性能。化錫工藝通常會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。

電路表面清潔度有利於降低微帶天線和其它微帶無源器件的PIM性能。有阻焊的電路通常比裸銅電路具有更好的PIM性能。清潔的電路，沒有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，電路的蝕刻質量對於改善PIM性能也是十分重要的。如果銅箔導體沒有被充分腐蝕掉導致電路邊緣產生粗糙和毛刺，這種情況也可能會使PIM性能下降。

只要仔細地選擇電路板材料，就可能為無源器件或電路提高其PIM性能。不過，就算使用了低PIM的材料，某些類型的電路可能因自身結構較易受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電路板材料進行了相關的實驗。這種天線層壓板的特性是：Dk為3.4，公差為±0.08，在10 GHz時的低損耗因子(低損耗)為0.0027。

使用這種相同的電路板材料加工的三個不同電路分別為：傳輸線、帶通濾波器、低通濾波器(如圖5)。即使這些電路是基於同一電路板材料加工出來的，但由於PIM受電流密度的影響，造成PIM的差異就非常顯著。比起簡單的傳輸線電路，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的單音信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。

圖5：在相同的低PIM材料上加工的三種不同的電路，所呈現出的不同的PIM性能。

如實驗所示，常用於天線饋電的簡單傳輸線，幾乎可以達到接近材料的額定PIM水平。儘管如此，PIM性能也與電路構結緊密相關，不同電路也導致最終的PIM性能不同。(英文原文刊登於Microwaves &RF)

本文來自《電子工程專輯》2018年2月刊，版權所有，謝絕轉載

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