影響汽車毫米波雷達傳感器性能一致性的思考---之PCB電路材料的考慮

　　實際應用中電路所呈現出的Dk值(設計Dk)不僅需要考慮材料過程Dk的變化，同時需要考慮銅箔粗糙度變化帶來的影響。而常常被大多數工程師所忽略的電路加工過程也會造成設計Dk的變化。通常，設計工程師為了更為準確的設計電路而想知道設計Dk值的變化大小，最好的方法就是選取多個不同批次材料，制作并測試多個相同電路來評估其變化。為了更好的說明這種變化情況，仍然選取了5mil RO3003TM材料，其時間跨度達4年的多個批次制作成50Ω微帶線測試電路的設計Dk。從圖6可以看到，使用銅箔粗糙度RMS值為2.0um的ED銅箔的5mil RO3003TM材料，其在77GHz時電路的設計Dk的典型值是3.16，變化約0.126;而使用光滑的壓延銅的5mil RO3003TM材料在77GHz是電路的設計Dk典型值是3.055，變化約0.096。這也進一步證實了，材料過程Dk的容差越小，所使用銅箔的表面越光滑，其最后成品電路的設計Dk值變化越小，電路性能一致性也越好。

　　圖6、厚度5mil RO3003TM材料不同銅箔下電路Dk值的變化

　　2.3 介電常數隨溫度變化(TCDk)

　　電路材料的介電常數會隨溫度變化而發生變化，這種隨溫度變化的參數有助于工程師了解電路材料可能會發生的性能上的改變。通常把材料介電常數隨溫度的變化定義為TCDk，其變化越小表示材料(在溫度上)性能越穩定。理想電路材料的TCDk值，即使溫度發生變化也會保持固定的Dk值，其TCDk的值為0ppm/℃。然而，在現實世界中，Dk值是會隨著電路材料溫度的變化而變化的。只有TCDk值非常低的電路材料才能被認為是具有隨溫度穩定Dk的材料，通常TCDk的絕對值要小于50ppm/℃。當某一應用要求電路需要經受較大的工作溫度范圍，并且需要始終保持穩定的性能時---如汽車雷達傳感器的應用，它就需要始終保持精確的測量精度，且可能工作于不同的工作溫度下---材料的TCDk參數就是需要考慮的關鍵參數之一。

　　同一樹脂體系的兩種材料并不會具有相同的TCDk特性，例如，雖然PTFE是性能優異、低損耗的高頻電路材料，但是基于PTFE的不同電路材料，它的TCDk特性可能就會有很大差異。一些基于PTFE的電路材料的Dk隨溫度的變化很大，TCDk值達200ppm/℃甚至更高。同時，一些基于PTFE的線路板材料可以提供接近理想狀態的TCDk特性。圖7比較了不同種類的電路材料的TCDk曲線，明顯看到環氧樹脂體系材料具有非常差的TCDk性能;而某些基于特殊陶瓷填充的PTFE材料，就具有較好的TCDk性能。77GHz汽車毫米波雷達廣泛使用的RO3003TM材料的TCDk值是-3ppm/℃。

　　圖7、不同種類材料的TCDk曲線

　　通過設計一組實驗，比較了高TCDk材料與RO3003TM材料的不同TCDk值帶來的影響。測試基于設計的長度不同的50Ω微帶線電路來觀察設計Dk和相位在不同溫度下的變化情況。測試結果如圖8所示，RO3003TM材料由于其具有非常小的TCDk值，在77GHz時其Dk和電路的相位角幾乎沒有任何變化。而高TCDk材料在77GHz時的Dk變化達0.031，相位變化達到17度。當使用高TCDk材料的毫米波汽車雷達傳感器應用在不同的溫度環境時，如此高的Dk和相位變化就會嚴重影響系統的一致性。

　　圖8、實際電路中RO3003TM材料與高TCDk材料的性能比較

　　2.4 材料的吸濕性

　　汽車雷達傳感器相對于其他類型傳感器的優勢在于可以全天候工作在各種惡劣天氣條件下。因此環境的變化不僅僅是溫度的變化，還可能工作在不同的濕度環境中。設計工程師在選擇電路材料時常常忽略了材料的吸濕性，而事實上材料的吸濕性對于電路的性能和系統的一致性也是至關重要的。材料較低的吸濕性可以減小電路中介電常數及損耗的變化，從而使電路保持幾乎相同的電路性能，確保雷達傳感器的定位不會出現偏差。

　　羅杰斯的RO3003TM材料能廣泛應用于77GHz汽車毫米波雷達中，低的吸濕性也是其中的一個重要原因。這里同樣以5mil RO3003TM材料為例來比較材料吸濕性對于電路設計Dk和損耗的影響。在基于IPC-TM-650 2.6.2.1國際標準測得的RO3003TM材料的吸濕率僅為0.04%，而所比較的另外一種材料的吸濕率是0.3%。通過長度不同的50Ω微帶線的方式測試電路的介電常數Dk和損耗，可以看到RO3003TM材料在70GHz頻率下時的Dk和損耗分別僅變化0.005和0.13dB/inch;而具有0.3%高吸濕率的材料的電路Dk和損耗變化達到0.04和0.81dB/inch。如此高的Dk和損耗的變化自然會引起雷達傳感器性能的不一致性，在實際應用中造成偏差。

　　圖9、實際50Ω微帶電路中RO3003TM材料與高吸水率材料的性能比較

　　2.5 玻璃布纖維效應

　　在電路材料中通常會添加玻璃布來增加材料的結構強度，這樣有助于提高材料的機械穩定性。但是電路材料中的玻璃布會影響該材料的介電常數(Dk)隨著位置的變化。這種Dk的變化是由玻璃布特有的物理交織結構造成的，發生在非常小的區域且以周期性的方式呈現。也就是說，玻璃布中玻璃纖維編織形的交疊處及小的開口空隙區域的Dk值會有不同，如圖10示例。通常，玻璃布或玻璃纖維的Dk約為6，而開口空隙區域的Dk由材料樹脂體系的Dk值決定，比如3。當存在兩束玻璃纖維相互交疊時，此時的Dk值最大;而開口空隙區域沒有玻璃纖維的存在，此時的Dk最小;僅有單束玻璃纖維是Dk值居中。

　　圖10、玻璃布纖維相互交疊形成的不同Dk值

　　當含有此類玻璃布的材料僅應用于較低頻率時，由于信號波長較長，幾乎對電路性能不會造成影響。而當材料應用于高頻毫米波頻率時，電路性能就會受到一定的影響。以介電常數Dk為3.0、厚度5mil的電路材料為例，當材料應用于77GHz毫米波電路時，所設計的50歐姆微帶線的寬度是12mil。常見電路材料中大于12mil的玻璃布的交疊與空隙開口是非常常見的。在實際電路中，如圖12左所示，當微帶線分別處于玻璃纖維束或空隙上方時，由于Dk的不同此時同一設計的不同電路的阻抗就存在一定差異，從而影響電路的一致性;同樣，即使處于圖11右所示情況，Dk也存在周期的變化，導致同一微帶線電路的阻抗也會周期的變化，進而影響電路的相位，影響系統的一致性。

　　圖11、線路經過不同區域的Dk的變化

　　正因為玻璃布帶來的這種高頻的玻纖效應，為了盡可能減小這種影響，在考慮應用于如77GHz汽車毫米波雷達的材料時，應選擇不含有玻璃布的電路材料。

　　3. 結論

　　自動駕駛汽車將成為汽車行業未來發展的重點和方向，而毫米波雷達傳感器的獨特優勢使其成為自動駕駛汽車不可缺少的部件，且有助于自動駕駛汽車成為可能。PCB電路材料是毫米波雷達傳感器的基礎，選擇穩定介電常數、低損耗特性的材料是設計毫米波雷達傳感器的出發點。然而為了使雷達傳感器具有穩定一致的電路性能，材料所使用銅箔類型及銅箔的表面粗糙度、介電常數隨溫度的變化、材料的吸濕性、以及材料是否含有玻璃布而帶來玻纖效應等都需要考慮，從而確保傳感器對物體和速度的精確檢測和定位。