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高频PCB的设计及板材选型

2023.12.21

什么是高频PCB？

随着微波和射频技术的应用不断扩展，越来越多的电子设备在微波频段（＞1GHZ）甚至与毫米波领域（77GHZ）开展设计应用。例如车载波雷达，就是使用的77GHz毫米波天线。

特斯拉毫米波雷达PCB

一般来说，高频PCB定义为电磁频率在1GHz以上的PCB。

随着PCB上信号的频率越来越高，对PCB的板材的性能要求也越来越高。板材需要具有优良的电性能，良好的化学稳定性，随信号频率的增加在PCB上的损失要非常小。

高频PCB设计指南

RF传输线：微带线与共面波导（CPWG）

RF传输线是通过结构化路径将RF功率从源传输到负载的介质。传输线路需要遵循一定的布线规则，以实现从电源到负载的损失最小。在PCB上，两种最常见的经济高效的传输线是微带线与共面波导(CPWG)。

在这两种传输线路中，一部分电磁场存在于空气中，另一部分存在于基板中。空气的介电常数为 1，而基板的介电常数> 1。因此，传输线的有效介电常数小于基板本身的介电常数。

微带线

微带线在PCB顶层走射频信号线，走线下地平面。如下图微带线的横截面。以下因素会影响微带线的特性阻抗：

? 基板高度 (H)

? 基板的介电常数 (εr)

? 走线宽度 (W)

? 射频走线的铜厚 (T)

微带线的构造和加工都很简单。对于给定板材，微带线的有效介电常数大于共面波导的有效介电常数。与共面波导相比，布局也相对紧凑。

共面波导（CPWG）

CPWG与微带线相似，但是在射频走线的任意一侧都有包地。

CPWG的特性阻抗取决于以下因素：

? 基板高度 (H)

? 基板的介电常数 (εr)

? 走线宽度 (W)

? 走线与包地之间的间隙 (G)

? 射频走线的铜厚 (T)

CPWG在以下方面优于微带线：

? 为射频走线提供了更好的隔离和EMI性能

? 射频走线上的分流元件更方便接地

? 降低与其他信号线之间的串扰

? 在高频率下损耗低

RF布局走线注意事项

? 确保射频走线具有50欧姆的特征阻抗，无论是选择微带线还是CPWG，使用阻抗计算器计算特征阻抗走线的具体参数。

? 整个射频走线的特征阻抗必须保存不变，需要保持射频走线的宽度恒定。对于CPWG，需要保持射频走线与包地之间的间距恒定。

? 对于CPWG，确保射频走线与包地之间的间距小于基板到参考地的高度，否则射频走线就变成微带线。

? 对于CPWG，确保射频包地的地线走线宽度要大于包地间距。

? 确保射频走线下面有干净，完整的参考地平面，射频走线不能穿过其他走线或者跨地平面，以确保为射频电流提供正确的返回路径。

? 射频走线长度尽可能最短，射频信号的衰减与走线长度成正比。

? 避免射频走线弯曲，如果不可避免，使用弧形线弯曲，不要使用锐弯以保持走线宽度均匀。对于直角转弯，需要进行调节，如图所示。

? 避免射频走线中出现分叉。分叉会影响阻抗匹配。射频走线上的元器件布局在遵循参考设计的同时，避免出现因为元器件布局导致走线分叉。

? 任何其他走线不要靠近或平行于射频走线。避免信号相互耦合。

? 不要在射频走线上放置测试点，会影响阻抗匹配。

PCB叠层结构设计

4层PCB

四层PCB可以提供完整的地平面和电源平面，对于信号线的走线也更加简单。

顶层	射频IC和组件，天线
第2层	地平面
第3层	电源层
底层	非射频组件和信号

完整的电源层和地平面，去耦电容接地方便，电源PDN网络的压降更低。

50欧姆特性阻抗在加工的时候需要跟PCB生产厂商提供的板材参数进行调整，以保证最终制造出来的PCB符合设计要求。

2层PCB

通常在成本敏感时会选择双层板，如果选择双层板，介质厚度应尽可能�。蛭谔匦宰杩�50欧姆的要求下，射频走线宽度与基板高度成正比。较厚的PCB (＞0.8mm)会导致射频更宽，挤压其他信号线的走线空间。同时更宽的射频走线还会触发虚假寄生波产生。

顶层	全部IC及射频线
底层	地平面

如果底层无法做完整的地平面，需要确保射频必发部分下方有完整的接地平面。

接地平面

射频必发设计中，接地平面非常重要。射频信号的返回路径位于射频走线下方的接地平面。为了获得良好的射频性能，返回路径需要不间断且尽可能宽。如果接地平面中断，返回电流会在中断周围寻找下一个最小回流路径。增加寄生电感，影响射频走线和天线之间的阻抗匹配，并显著衰减射频信号。同时如果射频走线下方的接地层很窄，达不到微带线的要求，也会导致射频信号衰减严重。

接地平面注意事项：

? 不要在接地平面上的射频走线上方有走线。即使是双层PCB，也最好将一层完全用于接地。

? 顶层和底层未走线区域铺铜打地过孔，板上过孔的间距不超过信号波长的二十分之一。

? 使用CSP封装的芯片时不建议使用双层PCB，信号需要通过第二层引出，射频信号难以获得不间断地平面。

? 射频走线下方需要有宽敞的接地层。

? 不同层之间的地平面需要过孔紧密连接，整个PCB形成良好接地，从而达到屏蔽的效果。

? 电源层内缩与地平面，最好在电源层的四周包地并通过过孔与地平面连接，从而降低开关电源对外的辐射。

高频PCB板材选型指南

PCB板材有哪些重要的参数？

高频高速PCB板与普通的PCB板的生产工艺基本相同，性能差异的关键点在板材的特性参数。

介电常数（Dk）

Dk即Dielectric constant的简称，中文叫介电常数，它是表示绝缘特性的一个系数，以字母ε表示。信号的传送速率与材料介电常数的平方根成反比，高介电常数容易造成信号传输延误，一般来说是越小越好。

介质损耗因子（Df）

Df即Dissipation factor的简称，中文叫介质损耗因子，又叫损耗角正切（tanδ），是材料的损耗模量与储能模量之比。影响信号传送的品质，介质损耗越�。藕潘鸷囊苍叫�。

目前PCB产业应用最广泛的基板材料是环氧树脂玻纤布覆铜板FR-4，FR-4由一层或者多层浸渍过环氧树脂的玻璃纤维布构成。它的成本较低且电气和机械性能适于多种应用的需求。

FR-4的介电常数高达4.2~4.8以上，介质损失因数大于 0.0015，难以满足高频高速PCB产品的可靠性、复杂性、电性能和装配性能等方面的要求。

在目前高速高频化的趋势下，较为主流的PCB材料包括聚四氟乙烯树脂（PTFE）、环氧树脂（EP）、双马来酰亚胺三嗪树脂（BT）、热固性氰酸脂树脂（CE）、热固性聚苯醚树脂（PPE）和聚酰亚胺树脂（PI），由此衍生出的覆铜板种类超过130种。它们共同的特性, 就是介电常数、介质损失因素都是很低的或较低的。

除了介电常数和介质损失因数之外，低CTE（更高的尺寸稳定性）和高Tg（高耐热/高温模量保持率）的树脂材料更受欢迎。

对于高频PCB而言，最为重要的指标是介电特性、信号传输速度和耐热性，在前两点上PTFE基板具有最佳的性能，是最符合高频PCB板要求的树脂材料。

文章引用来源：天线设计和射频布局指南-AN91445 Cypress。5G 材料环节核心受益标的，基站高频 PCB 板和手机天线 FPC 基材国内龙头-华创证券。

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