针对毫米波应用的电路材料选择

箔粗糙度对传播常数和插入损耗的影响。

表1a.RF/微波电路中常用典型铜箔的表面粗糙度值

表1.b 不同频率下信号趋肤深度

图2. 铜箔表面粗糙度对传输常数和插入损耗的影响示意图

图3. 在相同材料上使用不同粗糙度铜箔的电路损耗对比

为了进一步比较铜箔粗糙度的影响，图3显示了在相同的材料上使用不同种类铜箔的电路插入损耗对比。所使用的罗杰斯标准RO4350B™层压板铜箔的平均粗糙度为2.5um RMS，而RO4350BLoPro™层压板铜箔的平均粗糙度为0.6 um RMS。尽管50GHz时曲线结果存在一定的噪声抖动，但是趋势很明显，越光滑的铜表面所对应的插入损耗越低。当然，两个材料的介质厚度存在细微差异（0.7 mils），但对于越薄的材料，导体损耗将占总损耗的主要部分。

电路最终的表面处理也会影响电路的导体损耗，尤其是在高频频段。通常，PCB表面处理中所用的许多金属的导电性都比铜差，附加表面处理工艺会导致导体损耗的增加。例如PCB中最常使用的化学镍金（ENIG）表面处理，由于镍的导电性比铜差，使用ENIG表面处理将不可避免地造成导体损耗的增加。典型的ENIG表面处理的金属导体叠层都是从材料的基铜开始，在铜上方沉积镍以防止铜的氧化，最后在镍的上方沉积金。从厚度上来看，金的生长是自限制过程且厚度一般为0.2um左右，而镍的厚度一般为5um左右。考虑到毫米波频段的趋肤深度，电流会完全覆盖镍层以及部分金层。随着频率的升高，镀金层也会完全被覆盖。但由于金的导电性仍比铜差，因此使用ENIG表面处理最终会导致电路导体损耗的增加。

图4显示了相同电路基材上使用裸铜和使用ENIG对电路插入损耗的影响。图4的结果解释了很多问题。使用ENIG表面处理的电路插入损耗比裸铜结构电路高。但在低频段，两种电路的插入损耗特性有所不同。这主要是因为镍层较厚，低频段电流因趋肤深度大部分分布在镍金属中，而在铜和金中的分布则很少。当频率上升到20GHz时，由于趋肤深度效应，电流在金中开始分布。随着频率的进一步上升，更多的金被使用，ENIG电路的插入损耗曲线变得和裸铜结构的损耗曲线平行。

图4. 使用相同材料的裸铜结构和ENIG表面处理微带传输线插入损耗对比

银

纯银的电导率比纯铜的电导率更高，在PCB表面处理工艺中使用沉沉银工艺使用的实际上是银合金而非纯银。该合金近似为纯银，在导电性上接近于铜。沉银工艺是自限的，附加上的银也是薄薄的一层，厚度一般为0.2um。与金相比，银会被逐渐氧化而金不会。虽然银的氧化会使表面颜色发生变化，但这种氧化对电路插入损耗几乎没有影响。本文作者对存放2.5年沉银工艺发生氧化的电路的研究表明氧化未对电路插入损耗造成影响。值得说明的是图4的测试中信号过渡的问题。图4中的曲线数据是借助50GHz频率上限的商用矢量网络分析仪得到的。但由于信号的过渡问题导致35GHz以上存在噪声，因此图中的数据只测到35GHz，。如果使用更有效的信号过渡，在25GHz到50GHz甚至更高频范围内，图4中的ENIG插入损耗曲线和裸铜插入损耗曲线应该趋于平行。

如前所述，插入损耗有许多组成成分，了解这些成分对于毫米波电路的设计者是非常有帮助的。罗杰斯公司开发的MWI应用软件可以仿真插入损耗的各个组成成分，该程序可以从罗杰斯主页(www.rogerscorp.com)上下载。该程序是基于Hammerstad和Jenson提出的微带传输线阻抗和损耗特性描述方法。MWI软件也能预测微带线的辐射损耗，其计算基于Wadell的研究结果，测试表明软件预测值具有很高的准确度。

图5展示了使用MWI-2010仿真得到的两种不同厚度的电路的插入损耗及组成成分。在电路仿真模型中，导线的宽度保证传输线阻抗为50Ω，使用材料的Dk为3.66，铜厚为1 oz。如果忽略辐射损耗，介质损耗和导体损耗的对比非常明显。当频率低于15GHz时，在薄的10 mils电路中，导体损耗是总插入损耗的主要组成部分。而厚的30 mils电路中介质损耗高于导体损耗。在该频率范围内，电路设计者在铜箔（导体损耗）和损耗因子（介质损耗）一定的情况下选择材料需要考虑电路板的厚度。在图5所示的频率范围内，对于30 mils的电路，15GHz时辐射损耗尽管已非常显著，但不是插损的主要部分，

图5.不同厚度相同电路材料的微带传输线插入损耗（总损耗）及各组成成分对比

辐射损耗

图5表明辐射损耗取决于工作频率和电路厚度。频率在15GHz以下，10 mils电路的辐射损耗并不