Ku、Ka波段高频头PCB用低介电常数、低损耗覆铜板 栾翼;杨忠强;颜善银;宋光能
【摘 要】射频、微波高频通讯领域的Ku、Ka波段高频头(卫星天线)属于通讯市场的一个细分市场,文章主要从产品设计、PCB加工、终端性能的角度对使用国产高频覆铜板基材LNB33与美国公司高频覆铜板基材的产品性能进行全面的终端性能对比测试,提供给产品设计工程师、PCB设计工程师更多的选择. ca1110【期刊名称】《印制电路信息》
【年(卷),期】2017(025)003
【总页数】8页(P23-29,33)
【关键词】高频;微波;高频头(卫星天线);覆铜板基材;对比测试
【作 者】栾翼;杨忠强;颜善银;宋光能
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【作者单位】广东生益科技股份有限公司市场部,广东东莞523039;广东生益科技股份有限公司市场部,广东东莞523039;广东生益科技股份有限公司市场部,广东东莞523039;深圳翔成电子科技有限公司,广东深圳518057
【正文语种】中 文
【中图分类】TN41
伴随着中国通讯行业的整体蓬勃发展,许多通讯行业细分的领域也在从以前能够做出产品的阶段再向做好、做精过渡,从产品设计端开始、芯片的选择、线路板的结构布局、生产工艺的精度控制等等多个环节都再做到精益求精,并且做出的产品与国际上的知名企业可以并驾齐驱。生益科技也一直在努力将高频、高速类市场领域产品PcB用基材做到更好。
卫星天线又称“高频头”,属于通讯产品中的无线类产品,主要运用于c波段、Ku波段、Ka波段卫星信号接收,主要作用是接受高频信号,将其进行放大,对部分不稳定的信号进行处理。而在这看似设计简单且体积不大的产品中,确包含了很多高频产品的设计、生产精度在其中。其中承载设计电路的PcB部分起到了尤为重要的作用,而作为PcB产品中的一部分,PcB基材无锡 性息
对整个产品设计的精度、稳定性、长期工作一致性等等重要指标起到了决定性的作用。在2005年至今,十多年时间,此类产品逐渐从国外生产加工转向、中国大陆制造生产,并且整条供应链已经再向国内转变,其中PcB加工主要以国内的PcB厂商为主,而占有PcB中最重要的基材部分,仍然沿用几十年前美国材料厂商的设计,国内PcB厂家和高频头终端用户一直受到成本高、交货周期长等等因素的制约。广东生益科技股份有限公司作为覆铜板制造商,具有自主研发低介质常数、低损耗的高频PcB基材的能力,具备了满足高频产品对PcB基材的要求,希望为实现整个高频头产品的国产化做出一些贡献。
乌克兰危机来龙去脉本文主要阐述在高频头产品PcB电路设计中,高频覆铜板基材起到了哪些作用,基材的指标又与设计者关注的产品性能指标有何关联。针对使用生益科技高频基材后的产品指标性能与使用原来进口材料的性能指标对比数据进行说明,从而为高频头产品设计工程师、PcB材料认证工程师提供基材方面的指引。
1.1 高频头结构及主要性能指标
1.1.1 高频头作用
调谐(或选台)、放大及变频,输出中频信号。
1.1.2 高频头组成（图2）
(1)输入电路：选台；(2)高频放大器：放大接收电视信号,进一步选频；(3)本振：产生一个比接收频道图像载频高38 МHz的等幅信号；(4)变频器：将本振信号与接收频道的图像载频、伴音频进行混频,得到固定的中频信号。
1.1.3 高频头主要性能指标要求
(1)频率范围与通频带要宽；
(2)功率增益足够大；
(3)噪声系数小；
(4)要有良好的选择性；
(5)具有较强的aGc控制能力。
以上5条在电路设计上都与PcB的基材选择有直接或间接的相关性,基材的介质常数、介质
损耗、稳定性会直接影响高频头产品的功能性指标和长期表现能力。除基材的典型值对产品的设计起到至关重要的影响,基材的介电性能稳定性、长期耐热老化性能下的波动、长期耐湿度性能下的波动等等环境稳定性指标也会影响到产品在终端用户的使用稳定情况。
1.2 高频头PCB电路基材的选择原理
根据Friis传输理论用于解释并确定无线电通信线路中负载匹配的天线所接受到的功率,可知道频率越高,接受天线接收到的功率增益越低,即衰减越大,在高频的工作条件下,要求产品的所有器件的损耗都相对较低。其中包括PcB基材,基材作为线路的参考层,作为所有器件的链接层,损耗尤其重要,无线类型的产品中主要体现在相位噪声和增益两个指标上。
而电路设计的精细程度也尤为重要,在高频电路产品中,阻抗的微小偏移,会导致产品性能的波动,从而导致产品不稳定。所以PcB电路基材介质常数的设计对准度变得十分重要,同样会影响到相位噪声和增益。
目前国内Ku波段、Ka波段的高频头产品,主要的输出频率在10 GHz、35 GHz,如何能够让高频头在高频场景下稳定工作,与基材的几个关键指标具有较强的相关性。
机械成孔灌注桩1.2.1 介质常数Dk
相对较低的介质常数,对于电路的设计、尺寸规格有所帮助,而重要的是可以为产品性能提供更优异的增益性能。
1.2.2 介质损耗Df
越低的损耗,对卫星天线的回损指标有很大的帮助,同时也能不断改善增益并且减小寄生信号,这个指标在多头、多本振的高频头产品中尤为重要。
1.2.3 介质常数、介质损耗在环境性能下的波动TcDk、TcDf
高频头卫星天线是户外产品,大多使用在环境十分苛刻的地方,需要PcB线路板能够承受高温低温、苛刻湿度的环境影响,介质常数和损耗受到环境的影响越小,材料越稳定,材料稳定的同时,才能保证产品的质量稳定。
1.2.4 与铜箔接近的热膨胀系数CTE
相对低并且接近铜箔的cТE值表征基材受热随温度变化时,基材产生扩张和收缩与铜箔的变
化接近,从而在电镀通孔时,能有相对一致的变化,不会导致因为基材而产生孔铜分离的情况。
1.2.5 吸水率
低的吸水率是高频电路材料的一个重要特征,水的介质常数十分大接近80,基材在吸入水份后介质常数和损耗会发生较大的变化,所以较低吸水率成为高频基材一个十分重要的指标。
1.3 基材的关键性能指标
轧辊卫星天线的市场发生了巨大的变化,成本竞争压力巨大。对许多要求不高的国内产品,器件能够提升性能达到产品要求的都不会在PcB基材的选择上面考虑特种材料从而选择普通的FR-4,主要用于c波段及部分单头的Ku波段高频头产品。但仍然存在部分海外市场对产品的性能要求较高,在欧洲、美国、韩国、印度等部分国家和地区的产品,终端用户仍然需要选择高性能的PcB基材和加工工艺来控制产品性能,从而使得产品性能可靠稳定。主要应用在Ku波段、Ka波段多输入、多输出、多个频率协同工作的产品中。对基材的性能指标要求如下：
(1)介电常数接近3.38,损耗≤0.0025(使用IPc-ТМ650 2.5.5.5测试方法)；
(2)随频率、温度、湿度等环境条件变化,介电常数、损耗的波动范围小；
(3)尽可能高的剥离强度(高频头产品需要通过抗跌落实验,高的剥离强度可以提高产品的通过率)；
(4)较优异的产品制造工艺、加工工艺性能好；
(5)优异的成本空间。
2008年之前,卫星天线高端产品的PcB基材的选择,使用的是美国R公司的产品作为设计首选。2010年～2012年期间,另一家美国基材I公司进入了该市场,并用价格策略获取了部分市场。生益科技在2009年开始进入高频头市场,通过7年时间的市场长期稳定性的验证,确定产品性能长期可靠的情况下,正式在2016年开始加大推广力度,产品性能对标R公司的产品,产品型号LNB33,专用于高频头市场。
全球在高频领域对低介质常数、低损耗的PcB基材有深入研究的除了欧美几家公司以外,生益科技伴随国内通讯行业的发展一直致力于这市场领域的研发、开发、市场推动工作,逐步进入了高频、高速市场。
生益科技早在2008年以前,就开始了针对碳氢树脂体系的高性能覆铜板的技术研究和验证工作。2014年,我公司第一个碳氢技术平台的高频基材S7136也正式公开推向了市场,这标志着我司碳氢体系的技术平台逐渐完善和成熟,而由碳氢技术平台衍生的产品逐步形成序列,包括LNB33以及未来规划的aeroWave天线序列的产品都会考虑使用碳氢体系的技术平台。我公司碳氢体系技术平台能够通过技术细节的调整,而满足不同市场、不同客户的需求,从而应对市场的变化。
根据高频、高速材料损耗(Df)业界的路标图,LNB33属于Тier5级别的材料(图6)。
2.1 PCB可加工性指引
此类基材为了将介质损耗做低,添加了大量的二氧化硅(属于陶瓷粉)作为填料,填料比例占整体胶系大半比重,所以此类基材刚性十分强,硬度较大。在PcB加工时需要特定的加工参数,生益科技对此类树脂体系的基材加工有充足的经验。以下罗列出几点特别需要注意的加工注意事项：
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