如何为低PIM PCB天线选择合适的电路板材料

尽管天线具有不同的形状和尺寸，但印刷电路板(PCB)天线形式仍能够在较大程度减小尺寸的情况下保持性能不发生变化。当然，天线(包括基于PCB的天线)必须在设计和加工时确保其具有最小的无源互调(PIM)指标，才能在现在拥挤的信号环境中发挥其最佳性能。

对于PCB天线，尽管低PIM指标主要与天线设计相关，但电路板材料对PCB天线的整体PIM性也有很大影响，所以低PIM天线也需要考虑怎样选择RF/微波电路材料。

PIM是一种非线性的类二极管效应，当两个或多个信号混合时(例如来自不同的发射机)，就会产生不必要的谐波信号。当这些额外产生的谐波信号具有足够高的电平，并且落在接收机的可接收频率范围内时，那么，就可能会引起问题，干扰接收机带内信号的接收正常。虽然PIM不会对每一种应用都产生影响，但却可能干扰无线通信系统的正常工作，尤其是在其试图接收较低电平信号时。

PIM可以发生在任何两种不同金属的连接点或接口处，例如连接器和电缆组件的连接处，天线和天线馈源的连接处。接触不良的连接器，内部生锈或氧化的连接器也可能会导致PIM。PCB材料也可能是PIM的来源，它可能来自于材料本身，也可能来自馈电点。因此，通过了解不同的电路板材料的参数与PIM之间的关系，将有助于选择合适的材料，而不至于造成PCB天线的PIM性能问题。

PCB天线

以PCB形式设计的高频天线可以有多种不同结构，从简单的偶极子，到基于环形谐振腔和罗特曼透镜的复杂的结构。其中一种比较受欢迎的PCB天线就是微带贴片天线，它可以在给定的频率范围内设计出简单紧凑的天线构结(如图1)。许多产品利用多个PCB贴片天线或谐振结构，来实现波束成形网络(BFN)或相控阵天线，并通过电调方式来控制雷达或通信系统中PCB天线的振幅，相位和方向。

在毫米波频率下，紧凑型的微带PCB天线也越来越受到关注。例如用于汽车电子安全系统的77GHz高级驾驶辅助系统(ADAS)，就以这种天线实现盲点检测，自动制动系统和防碰撞等功能。由于这种系统的信号功率较低，ADAS接收机就必须依靠其高灵敏度，可靠地检测从行人和其他车辆等目标反射的雷达回波。

图1：微带贴片天线结构是大型天线阵列的基本组成。

电路层压板的介电常数(Dk)是许多工程师在设计微带贴片天线时首先要考虑的因素。电路板材料的Dk值对电路尺寸的影响，在表1中的四个例子中有详细的描述，结果显示对给定频率的微带贴片天线，贴片尺寸随着Dk值的增加而缩小。

该表是通过MWI-2017软件计算完成， 表中微带贴片天线的尺寸，如长度(L)和宽度(W)，可以利用以下的简单方程计算得到：

W=(c/2fr)[2/(Dkeff +1)]0.5

L=λ/[2(Dkeff)0.5] - 2ΔL

其中：

Dkeff=微带电路的有效介电常数;

λ=基于微带电路的波长;

fr=贴片辐射元件的谐振频率;

c=自由空间中的光速;

ΔL=由于边缘场引起的贴片延伸长度。

微带贴片天线单元在发射时将电磁能量辐射到自由空间，在接收时将电磁能量传输到连接的电路上(例如，接收器)。但贴片PCB天线的一个重要组成单元，馈线构成了另一个重要部分。馈线在微带电路和辐射贴片之间，起到传输和接收电磁能量的桥梁作用。理想情况下，贴片应呈现高辐射，而馈线应呈现低辐射，从而实现能量从电路到贴片的有效传递。

图2展示了可用于微带贴片天线的四种不同馈线方式，分别为：松耦合馈电，底层馈电(常用于多层电路中，馈线在贴片下方)，紧耦合馈电，以及四分之一波长(λ/ 4)阻抗变换器馈电。这几种馈电方式，馈线的复杂性和用途均不相同。例如，对于底层馈电的情况，设计者可以通过选择外层使用最好的电路板材料以获得最佳的辐射，也可以选择不同的内层电路板材料，来降低馈线的辐射和插入损耗。

图2：四种用于微带贴片单位不同的馈线：(a)松耦合馈电、(b)底层馈电、(c)紧耦合馈电、(d)四分之一波长阻抗变换器馈电

对天线来讲，较厚的电路板材料更容易向外辐射能量。一般来说，设计诸如微带贴片之类的天线辐射单元，应该选择相对较厚并且具有较低Dk值(例如2.2至3.5)的电路板材料。尽管更高Dk值的材料辐射效率较低，使用较高Dk值的电路板材料来设计PCB天线更具挑战性。但当需要设计更小的贴片天线时，仍可通过优化设计而使用更高Dk值的电路板材料。

PIM策略

PIM较高的天线可能会导致无线通信系统中(如4G LTE无线网络的分布式天线系统)数据的丢失。而对于新兴的5G无线网络，尽管其频率较高，实际也是如此。

对于收发系统中的两个带内载波信号频率f1和f2，PIM就是nf1-mf2和nf2-mf1的混合产物，其中n和m是整数。这种衍生的PIM谐波可以按一定规则进行分类，其顺序由m和n之和确定，例如2f1-f2和2f2-f1(如图3)的三阶分量。三阶交调分量值得关注，因为它们离载波信号最近从而可能落在接收机的频带内，并且，如果分量具有较高功率，就可能会造成接收机发生阻塞。

图3：不同阶数的互调失真(IMD)。

PIM谐波分量的幅度不仅是f1和f2幅度的函数，而且还是其阶数的函数。PIM谐波分量的幅度随着阶数的增加而减小。因此，第五，第七和第九阶PIM谐波功率水平通常较小而不会影响接收器性能。

到底多低的功率电平可以认为是低PIM？这个值可能因系统而异。对于4G LTE系统中使用的DAS设备中包括的一些无源组件(如连接器和电缆)，-145dBc通常被认为足够低。然而一般来说，-140dBc或更高数值被认为是较差的PIM性能，而-150dBc被认为是较好的，-160dBc则是优秀的。

在专门设计的微波暗室中测量天线和其他无源器件的PIM电平，低至-170 dBc可能超出暗室测试环境噪声水平。 当使用两个+43dBm单音信号进行测量时，大多数PIM测试暗室的实际噪声级别为-165dBc。

当同一副天线通过共同的馈线同时实现发射和接收功能时，低PIM尤其重要。因为发射机和接收机都同时位于同一系统中，多个发射信号的非线性产物总会导致不想要的互调谐波，其幅度往往足以恶化接收机的性能。通过了解不同材料特性的PIM产生特性，可以减小PIM对PCB天线带来的影响。

尽管大多数情况下PIM是由电路结点(如焊点或连接器)中不均匀的材料产生，但电路板材料的特性，如粗糙的铜箔表面和不同类型的电镀表面处理，也可能会产生较低或较高的PIM电平。电路板材料中的某些参数就可以用来作为设计低PIM PCB天线的参考。

例如，相比PCB层压板的陶瓷或PTFE介质，层压板的铜箔表面粗糙度对影响PIM起主要作用。同时，对于相同介质材料的电路(例如，含有玻璃布或陶瓷填料的PTFE)，粗糙的铜箔表面对PIM的影响就要比平滑的铜箔表面更大。

为了更好地理解铜箔表面粗糙度与PIM的关系，通过测试具有不同铜箔表面粗糙度的电路层压板，分析其对PIM性能的影响。

具体方法如下：先测量每种铜箔的表面粗糙度，然后压合成层压板，接着在层压板上制作微带传输线测试电路，以测量对应的每种层压板的PIM性能。结果表明，随着铜箔表面粗糙度的增加，对PIM影响越来越大(如图4)。

图4：电路材料的铜箔表面粗糙度与PIM性能的关系。

PCB材料制作成天线和其它无源器件，经过表面电镀后，也会对PIM性能产生影响。铁磁性材料(如镍)，会严重影响PIM的性能。化锡工艺通常会比裸铜电路具有更好的PIM性能，而使用化学镍金(ENIG)的电路由于含有镍会产生较差的PIM性能。

电路表面清洁度有利于降低微带天线和其它微带无源器件的PIM性能。有阻焊的电路通常比裸铜电路具有更好的PIM性能。清洁的电路，没有残留的湿法化学处理，是降低PIM性能的重要基础。电路中带有任何形式的离子污染物或残留物，可能会导致较差的PIM性能。

同样地，电路的蚀刻质量对于改善PIM性能也是十分重要的。如果铜箔导体没有被充分腐蚀掉导致电路边缘产生粗糙和毛刺，这种情况也可能会使PIM性能下降。

只要仔细地选择电路板材料，就可能为无源器件或电路提高其PIM性能。不过，就算使用了低PIM的材料，某些类型的电路可能因自身结构较易受PIM影响，而无法改善其PIM性能。例如，罗杰斯公司(Rogers Corp.)以32.7mil厚的RO4534电路板材料进行了相关的实验。这种天线层压板的特性是：Dk为3.4，公差为±0.08，在10 GHz时的低损耗因子(低损耗)为0.0027。

使用这种相同的电路板材料加工的三个不同电路分别为：传输线、带通滤波器、低通滤波器(如图5)。即使这些电路是基于同一电路板材料加工出来的，但由于PIM受电流密度的影响，造成PIM的差异就非常显著。比起简单的传输线电路，滤波器具有较高的电流密度，从而产生更高的PIM谐波。而当使用两个+43dBm的单音信号对微带传输线进行测试评估时，RO4534材料呈现出-157dBc的低PIM性能。

图5：在相同的低PIM材料上加工的三种不同的电路，所呈现出的不同的PIM性能。

如实验所示，常用于天线馈电的简单传输线，几乎可以达到接近材料的额定PIM水平。尽管如此，PIM性能也与电路构结紧密相关，不同电路也导致最终的PIM性能不同。(英文原文刊登于Microwaves &RF)

本文来自《电子工程专辑》2018年2月刊，版权所有，谢绝转载