高频电路板选材及无源互调

随着无线通信和宽带网络的发展，高频电路板不再是简单地在一些绝缘基板上铺设金属导线来实现互连。在许多情况下，基板和金属导体已成为功能组件的一部分。特别是在射频应用中，元器件与基板相互作用，因此高频电路板的设计与制造对产品的功能影响越来越大。如图1所示，高频电路板/微波板的典型部分，其上的导体都是元器件。

高频线路板

我们高频电路板厂家也更多的是涉及到设计相关的东西，尤其是高频高速信号传输方面。同样，设计人员必须对高频电路板的制造工艺有深刻的理解，才能全面生产出合格、高性能的高频电路板。

从本期开始，我们将介绍一些人们经常接触到的参数，做一些由浅入深的技术探讨，希望能加深设计与制造之间的沟通与交流。

1.介电常数

介电常数（Dk，ε，Er）决定了电信号在介质中传播的速度。电信号传播的速度与介电常数的平方根成反比。介电常数越低，信号传输越快。我们打个形象的比方，就像你在沙滩上跑步，水深没过你的脚踝。水的粘度就是介电常数。水越粘稠，介电常数越高，跑得越慢。

高频射频电路板的介电常数不易测量或定义。它不仅与介质本身的特性有关，还与试验方法、试验频率、试验前和试验中的物质状态有关。介电常数也会随着温度的变化而变化，一些特殊材料在开发时会考虑温度因素。湿度也是影响介电常数的一个重要因素，因为水的介电常数是70，很少的水就会引起明显的变化。

以下是一些典型材料的介电常数（在 1Mhz 时）：

可见对于高速高频应用，最理想的材料是用铜箔包裹的空气介质，厚度公差为+/- 0.00001”。作为材料开发，大家都在朝这个方向努力。对于例如Arlon专利的Foamclad就非常适合基站天线的应用，但是并不是所有的高频射频线都设计成介电常数较小的，这往往是基于一些实际设计的。体积往往需要高介电常数的材料，例如Arlon AR1000用于小型化线路设计，部分设计如下：功率放大器，常用介电常数2.55（如Arlon DIClad 527、AD255等），或电介质常数3.5（如AD350、25N/FR等），也有采用4.5介电常数的（如AD450），主要是从FR-4设计转向高频应用，希望继续调整以前的设计。

介电常数除了直接影响信号的传输速度外，还在很大程度上决定了特性阻抗。在不同的部分，特性阻抗匹配在微波通信中尤为重要。如果出现阻抗不匹配，阻抗不匹配也称为VSWR（驻波比）。

CTEr：由于介电常数随温度变化，而高频线路板微波应用所用材料往往在户外，甚至太空环境中，因此CTEr（Coefficient of Thermal of Er）也是一个关键参数。一些陶瓷粉末填充的聚四氟乙烯聚四氟乙烯可以具有非常好的特性，例如CLTE。

circuit board

2. 损失，损耗角正切，Df，耗散因数

除介电常数外，损耗因子是影响材料电性能的重要参数。介质损耗也称为损耗角正切、损耗因数等，是指介质中信号的损耗，或称能量损耗。这是因为当高频信号（它们在正负相位之间不断变化）通过介电层时，介质中的分子试图根据这些电磁信号进行定向，尽管实际上，因为这些分子是交联的，他们无法真正定位。然而，频率的变化使分子不断运动，产生大量热量，造成能量损失。但有些材料，如PTFE聚四氟乙烯，是非极性的，所以不会受到电磁场的影响，所以损耗小。同样，损耗因子也与频率和测试方法有关。一般规则是频率越高，损失越大。

最直观的例子就是电能在传输中的消耗。如果电路设计损耗小。电池寿命可以显着增加。在接收信号时，天线对信号更加敏感，使用有损材料，信号更加清晰。

常用的FR4环氧树脂（Dk4.5）极性比较强。在1GHz时，损耗约为0.025，而PTFE聚四氟乙烯基材（Dk2.17）的损耗为0.0009。与玻璃填充聚酰亚胺相比，石英填充聚酰亚胺不仅介电常数低，而且损耗低，因为硅含量纯。

3.导热性

在很多微波领域，都有很多大功率的应用。材料的散热特性可以极大地影响整个系统的可靠性。因此，还应考虑导热系数。对于一些特殊的高可靠性和高功耗应用，也可以使用金属衬里（铝基或铜基）。

4. 可制造性

我们了解到PTFE聚四氟乙烯加工难度大，尤其是孔金属化，需要等离子或萘钠处理来提高其活性。而且PTFE聚四氟乙烯是热塑性材料，多层板的加工温度高。现在，已经开发出用于高频电路的新型低损耗热固性树脂材料，可以加工无需等离子活化的多层电路板，如Arlon 25N/FR。目前广泛应用于LNA、PA和天线设计中。吸湿性也是一个考虑因素。应尽量选用吸湿性小的材料，使电气特性更稳定。

5.热膨胀系数（CTE）

高频电路板的热膨胀系数通常简称为CTE（CoefficientThermal Efficient），是材料重要的热力学性能之一。它是指材料受热膨胀。实际的材料膨胀指的是体积变化，但由于基材的特性，我们往往分别考虑平面（X-，Y-）和垂直方向（Z-）的膨胀。

平面热膨胀往往可以通过增强层材料（如玻璃布、石英、Thermomount）来控制，而纵向膨胀在玻璃化转变温度以上总是难以控制。

平面 CTE 对于安装高密度封装非常重要。如果将芯片（通常CTE为6-10ppm/C）安装在常规PCB 高频板（CTE 18ppm/C）上，经过多次热循环后，可能会导致焊点在应力作用下过度老化。 Z轴的CTE直接影响电镀孔的可靠性，尤其是多层板。

一般PTFE聚四氟乙烯的CTE比较大。很少用纯PTFE聚四氟乙烯来做多层板。常用陶瓷粉填充的聚四氟乙烯聚四氟乙烯。

它用于全球通信卫星。

6.无源互调（PIM）

射频中高频电路板的前端设计，如天线、滤波器等，需要无源互调，这也与高频电路板的基材有关。一些公司使用特定的铜箔将无源互调保持在一定范围内。下表为无无源互调要求的高频电路板板材与有特定要求的高频电路板板材PIM的区别。

无源互调原因

无源互调主要由无源非线性产生，通常有两种：一种是金属接触引起的非线性，另一种是材料本身固有的非线性。例如，同轴电缆和连接器通常被认为是线性的，但在大功率的情况下会表现出非线性效应。电缆编织层的接触、连接器的螺纹和其他金属接头确实存在轻微的非线性。这些金属触点的每个表面都有一层由金属氧化形成的薄绝缘层。正是这种接触非线性会产生低电平无源互调干扰，从而严重降低接收器的性能。

金属接触非线性的原因主要是接头松动和腐蚀。它的伏安特性是一条曲线。具体主要机制如下：

(1)安装工艺不良造成的非线性；

(2)与金属接触处大电流相关的非线性；

(3)与金属表面污垢、金属颗粒和碳化有关的非线性；

(4)通过金属结构中的砂孔和微缝进行二次电子倍增效应；

(5)金属接触处通过薄氧化层（厚度小于50Ao）的电子隧道效应和半导体行为；

(6)强电流引起的金属接触面相对运动的热循环。

线性和非线性之间没有严格的限制。金属接触通常被认为是线性的，但在高功率下表现出非线性效应。

非线性效应无法完全消除，只能尽可能减小。

主要减排措施有：

(1)保持最小的热循环，减少金属材料膨胀压缩引起的非线性接触。

(2)尽量减少金属触点的数量。例如，使用扼流圈连接或其他电介质连接来提供足够的电流通道，以保持所有机械连接清洁和紧密。

(3)尽量避免在电流通道上使用调谐螺丝或金属或金属接触运动部件。如有必要，应将它们放置在低电流密度区域。

(4)改进材料的连接工艺。确保连接可靠，尽量无间隙、无污染、无腐蚀。

(5)导电通道上的电流密度应保持较低。比如接触面积要大，导体块要大。

由于无源互调问题的复杂性，难以建立大功率电路模型，因此一些非线性电路的分析方法无法使用。然而，对于金属接触非线性，它可以用一个简单的系统来表示。通过单个传递函数模拟整个金属接触非线性的产生过程，采用输入输出法进行分析，具体求解方法主要有幂级数法和Volterra级数法。由于幂级数法具有使用简单、计算速度快、易于实现等优点，本文采用该方法。

概括

高频电路板微波材料的选择主要取决于介电常数、损耗、热膨胀系数和导热系数。

低成本、低损耗、热固性、高介电常数陶瓷填充 PTFE 聚四氟乙烯、低介电常数、低损耗、PTFE 聚四氟乙烯、CTER 稳定陶瓷填充 PTFE、低成本、商用 PTFE 聚四氟乙烯。 PCB制造商、PCB设计师和PCBA加工商将讲解高频PCB材料的选择和无源互调。