PCB TMM pro miniaturizaci antén

1. Výběr třídy TMM pro miniaturizaci antény

TMM je řada termosetových mikrovlnných laminátů používaných v mikropáskových a páskových konstrukcích. Pro výrobu antén je užitečnou otázkou, která jakost a tloušťka zajišťují požadovanou elektrickou geometrii a zároveň zůstávají kompatibilní se zamýšleným postupem vrtání, směrování, laminace a pokovování. Společnost Rogers publikuje samostatné výrobní pokyny pro rodinu TMM, takže by měla být uvolněná konstrukce před obráběním zkontrolována s aktuální dokumentací dodavatele. Výrobní proces desek plošných spojů by pak měl být přizpůsoben této konstrukci. Jakmile je vybrána jakost, konstrukce antén na substrátech TMM propojuje model zmenšení velikosti s kresbou, napájecími strukturami a rozměrovou kontrolou.

Pro miniaturizaci antény jsou relevantními proměnnými Dk specifické pro daný typ materiálu, dielektrická tloušťka, konstrukce mědi, teplotní chování a vztah mezi velikostí VF prvku a výrobní tolerancí. Tyto hodnoty by měly být převzaty z aktuálního datového listu dodavatele pro vybraný typ materiálu, spíše než zobecněny na všechny produkty TMM. Highleap porovnává anténní napájecí zdroje, rozteč referenčních rovin, šířku vedení a tloušťku desky s modelovanou konstrukcí. S zmenšováním rozměrů se stává důležitější registrace panelu a kontrola leptání, takže první článek by měl měřit vlastnosti, které ovlivňují odezvu antény. Přesné hodnoty materiálových vlastností by měly být zkontrolovány s aktuální dokumentací dodavatele pro daný typ materiálu a konstrukci.

Protože je TMM termoset, při zahřátí neměkne. Spojování vodičů lze provádět bez rizika nadzvednutí kontaktní plošky nebo deformace substrátu – což je oproti PTFE pro hybridní mikrovlnné integrované obvody (MIC).

2. Tabulka vlastností řady Rogers TMM (TMM3–TMM13i) – Referenční hodnoty a použití v konstrukci

Níže uvedené hodnoty jsou referenční data z publikované technické literatury Rogers TMM; před vydáním ověřte aktuální revizi a zkušební metodu. „Procesní Dk“ se měří při 10 GHz podle metody IPC-TM-650 2.5.5.5 (páskový rezonátor, osa z). „Návrhová Dk“ je širokopásmová hodnota měřená v pásmu 8–40 GHz metodou diferenciální fázové délky – použijte návrhovou Dk ve vaší EM simulaci (HFSS, ADS, CST).

* TCDk TMM10i je odhadován dle datového listu Rogers. Tepelná vodivost TMM13i není zveřejněna. Absorpce vody se liší podle tloušťky substrátu – hodnoty specifické pro tloušťku (ASTM D570) viz datový list Rogers. Standardní tloušťky: 0.015″–0.500″ (15–500 mil). Standardní velikosti panelů: 18 × 12″ a 18 × 24″. Měděný plášť: ½ oz, 1 oz, 2 oz elektrolyticky nanášený; k dispozici je i těžký kovový plášť.

Klíčové datové vzorce: Df zůstává nízké (0.0019–0.0023) napříč všemi variantami bez ohledu na Dk – konstruktéři si mohou pro miniaturizaci zvolit vysoké Dk bez významných ztrát. CTE xy a CTE z jsou si v každé variantě blízké (na rozdíl od FR4, kde z-CTE je 3–5× vyšší než xy), což je základ pro spolehlivé pokovené průchozí otvory.

Procesní Dk vs. návrhová Dk: Tyto dvě hodnoty se liší, protože jsou měřeny různými metodami v různých frekvenčních rozsazích. Například TMM4 má procesní Dk = 4.50, ale návrhová Dk = 4.70. Používejte procesní Dk pouze pro kontrolu kvality výroby. Upozorňujeme, že návrhová Dk (12.20) u TMM13i je nižší než její procesní Dk (12.85) – vždy ověřte, jakou hodnotu váš simulační nástroj očekává.

3. TMM3 a TMM4: Nízká Dk pro filtry, oscilátory a kalibrační substráty

TMM3 (Dk = 3.27 procesní / 3.45 konstrukční). TMM3 se dielektrickou konstantou nejvíce blíží materiálu RO4350B. Jeho TCDk +37 ppm/°K znamená, že dielektrická konstanta mírně roste s teplotou – což je předvídatelný, dobře charakterizovaný drift, který lze v konstrukci kompenzovat. V rozsahu teplot od −55 do +125 °C (dle armády) je celkový posun Dk přibližně 0.7 %, což udržuje střední frekvence filtru stabilní bez nutnosti ladění po výrobě. TMM3 se používá ve filtrech satelitních transpondérů, substrátech napěťově řízených oscilátorů (VCO) a testovacích přípravcích, kde musí být Dk známo s vysokou přesností a opakovatelné napříč výrobními šaržemi.

TMM4 (Dk = 4.50 procesní / 4.70 konstrukční). TMM4 má nejmenší velikost TCDk v celé rodině TMM: +15 ppm/°K. V rozmezí teplot −55 až +125 °C je celkový drift Dk přibližně 0.27 % – teplotně nejstabilnější varianta v portfoliu Rogers. Jeho konstrukční Dk 4.70 se blíží FR4 (4.2–4.5), takže konstrukce prototypované na FR4 mohou přejít na TMM4 beze změny rozměrů obvodu. TMM4 je standardní volbou pro kombinované a interdigitální filtry v komunikačních systémech a vojenských rádiích, kde musí být přesnost frekvence stabilní od −55 do +125 °C.

4. TMM6 a TMM10: Vysoký Dk pro GPS antény a základnové stanice

Vyšší Dk snižuje vedenou vlnovou délku, čímž se úměrně zmenšují rezonanční struktury. Patchová anténa na TMM6 (Dk = 6.00) je přibližně o 35 % menší na rozměr než stejná anténa na TMM3 (Dk = 3.27). Na TMM10 (Dk = 9.20) dosahuje zmenšení velikosti přibližně 50 %.

TMM6 (Dk = 6.00 proces / 6.30 design). TMM6 je nejrozšířenější variantou TMM. Patch antény GPS L1 (1.575 GHz) na TMM6 dosahují rozměrů zhruba 25 × 25 mm – dostatečně kompaktní pro automobilové střešní moduly a ruční přijímače. TCDk −11 ppm/°K (jediný TCDk s malým záporným odporem v této řadě) může být silným kandidátem, pokud je vyžadována miniaturizace i teplotní stabilita. TMM6 je také standardním materiálem pro anténní panely sektoru základnových stanic pro mobilní sítě, kde 35% zmenšení velikosti na prvek umožňuje více zářičů v pevné ploše panelu pro 5G masivní MIMO pole.

TMM10 (Dk = 9.20 proces / 9.80 design). TMM10 posouvá miniaturizaci dále – oproti TMM3 se jedná o 50% zmenšení velikosti. Mezi aplikace patří konstrukce dielektrických rezonátorových antén (DRA) a kompaktní pole pro Wi-Fi a 5G. TMM10 a TMM10i mohou nahradit keramické substráty z oxidu hlinitého a zároveň zůstávají zpracovatelné na standardním zařízení pro desky plošných spojů – Rogers tuto schopnost konkrétně zmiňuje v datovém listu TMM. Nevýhoda: Součinitel tepelné roztažnosti (CTE) xy se při vyšším keramickém zatížení zvyšuje na 21 ppm/°K a materiál se stává křehčím. Pro silnější miniaturizaci by měla být konstrukce TMM13i s vysokým Dk posouzena z hlediska povolených tolerancí frekvenčního posunu a leptání.

5. TMM10i a TMM13i: Rogersovy lamináty s nejvyšším Dk pro miniaturizované antény

Přípona „i“ označuje izotropní varianty s CTE. TMM10i (Dk = 9.80) a TMM13i (Dk = 12.85) mají CTE ve všech třech osách velmi podobné: oba měří 19/19/20 ppm/°K (x/y/z) – což je nejkonzistentnější tepelná roztažnost ze všech laminátů Rogers.

TMM10i (Dk = 9.80 proces / 9.90 konstrukce). TMM10i je upřednostňován před TMM10 pro programy s vysokou spolehlivostí. Jeho měrná hmotnost (2.77) je identická s TMM10, ale izotropnější CTE (19/20 vs. 21/20 u TMM10) snižuje rozdílné napětí mezi mědí v trubkách a okolním dielektrikem během tepelných cyklů. Mezi aplikace patří fázované anténní prvky pro letecké radary, dielektricky zatížené dutinové filtry pro komunikační satelity a sítě děličů výkonu, kde je spolehlivost PTH přes 1 000 a více tepelných cyklů nesporná.

TMM13i (Dk = 12.85 proces / 12.20 design). TMM13i nabízí nejagresivnější miniaturizaci v portfoliu Rogers – anténní prvky jsou přibližně o 60 % menší na rozměr než u TMM3. Jedná se o specifický materiál pro ultrakompaktní GNSS antény, miniaturizované keramické patch pole a dielektrické rezonátorové oscilátory (DRO). Nevýhody: nejvyšší hustota (3.00 g/cm³), TCDk −70 ppm/°K (největší teplotní drift v rodině TMM), nižší pevnost v odlupování mědi (4.0 lb/in oproti 5.7 pro TMM3) a tepelná vodivost, kterou Rogers neuvádí. Pokud je vyžadována maximální Dk s termosetovou zpracovatelností, je TMM13i jedinou možností laminátu kromě zakázkových keramických substrátů.

6. Jak vyrábět desky plošných spojů TMM: Vrtání, pokovování a laminování

Termosetová matrice TMM umožňuje zpracování na standardním zařízení FR4 – což je velká výhoda oproti PTFE. Keramické plnivo zavádí specifické úpravy a křehkost se zvyšuje s Dk.

U TMM10, TMM10i a TMM13i se doporučuje laserové vrtání mikrootvorů – křehký materiál může kolem malých mechanicky vyvrtaných otvorů mikropraskat. Minimální šířku stopy navrhněte na 4 mil pro TMM3/TMM4/TMM6 a 5 mil pro TMM10/TMM10i/TMM13i. Na každý panel přiložte kupóny pro impedanční test.

Společnost Highleap vyrábí desky plošných spojů TMM (TMM) ve všech šesti variantách. TMM3, TMM6 a TMM10i jsou skladem ve standardních tloušťkách (25 a 50 mil). TMM4, TMM10 a TMM13i jsou k dispozici na objednávku s dodací lhůtou 2–4 týdny. Podporovány jsou vícevrstvé konstrukce TMM až do 8 vrstev a hybridní vrstvy TMM/FR4. Kompletní výrobní proces zahrnující všechny materiálové řady Rogers naleznete v průvodci procesem výroby desek plošných spojů Rogers.

7. Rogers TMM vs. RO4000 vs. RO3000: Průvodce výběrem materiálu

Nejjasnějším případem použití pro TMM je situace, kdy návrh vyžaduje Dk nad 6.0 ​​v kombinaci se standardní zpracovatelností desek plošných spojů – žádná jiná řada Rogers tuto hodnotu v termosetovém formátu nenabízí. Druhým silným případem použití je teplotně stabilní fázový výkon: TCDk TMM4 +15 ppm/°K je nejnižší hodnota v portfoliu Rogers, což z něj činí standard pro úzkopásmové satelitní komunikační filtry a napájecí sítě pro přesné radarové systémy, kde je kritická frekvenční stabilita v rozsahu −55 až +125 °C.

TMM není správnou volbou, pokud je vyžadován absolutně minimální vložný útlum (použijte RT/duroid 5880), při provozu primárně nad 40 GHz (PTFE překonává TMM v mmWave) nebo když je cena primárním faktorem pro obecné RF pod 10 GHz (RO4350B je levnější a široce dostupný).

Vyžádejte si cenovou nabídku na desku plošných spojů TMM od společnosti Highleap → Odešlete soubory Gerber a požadavky na propojení. Technická konzultace ohledně kompromisů mezi TMM, RO4000 a RO3000 je zahrnuta v ceně zdarma. Pro cenovou nabídku na miniaturizovanou anténu uveďte frekvenční pásmo, geometrii antény, propojení, obrys desky, měď a požadavky na RF test. To umožňuje výrobci posoudit, zda je požadovaná velikost prvku kompatibilní s navrhovanou konstrukcí.