TMM-печатная плата для миниатюризации антенны

1. Выбор класса TMM для миниатюризации антенны.

TMM — это семейство термореактивных микроволновых ламинатов, используемых в микрополосковых и полосковых линиях. Для антенных работ важным вопросом является выбор марки и толщины, обеспечивающих необходимую электрическую геометрию при сохранении совместимости с предполагаемым процессом сверления, трассировки, ламинирования и нанесения покрытий. Компания Rogers публикует отдельные руководства по изготовлению для семейства TMM, поэтому перед изготовлением оснастки следует сверить выпущенную конструкцию с текущей документацией поставщика. Затем необходимо подобрать технологический процесс изготовления печатных плат под эту конструкцию. После выбора марки, изготовление антенн на подложках из TMM позволяет связать модель уменьшения размеров с графическим оформлением, питающими структурами и контролем размеров.

Для миниатюризации антенны важными переменными являются диэлектрическая проницаемость Dk, толщина диэлектрика, конструкция медного покрытия, температурные характеристики и соотношение между размером радиочастотных элементов и допусками при изготовлении. Эти значения следует брать из текущей технической документации поставщика для выбранного класса материалов, а не обобщать для всех продуктов TMM. Компания Highleap анализирует параметры антенны, расстояние между опорными плоскостями, ширину линий и толщину платы в сравнении с моделируемой конструкцией. По мере уменьшения размеров все большее значение приобретают точность совмещения панелей и контроль травления, поэтому в первой статье следует измерить характеристики элементов, определяющих частотную характеристику антенны. Точные значения свойств материала следует сверять с текущей документацией поставщика для указанного класса материалов и конструкции.

Поскольку термореактивный материал (TMM) не размягчается при нагревании, его можно использовать для проволочного монтажа без риска отслоения контактных площадок или деформации подложки — это существенное преимущество по сравнению с ПТФЭ для гибридных микроволновых интегральных схем (MIC).

2. Таблица характеристик серии Rogers TMM (TMM3–TMM13i) — эталонные значения и применение в проектировании.

Приведенные ниже значения являются справочными данными из опубликованной технической документации Rogers TMM; перед выпуском проверьте текущую версию и метод тестирования. «Технологическая диэлектрическая проницаемость Dk» измеряется на частоте 10 ГГц в соответствии с методом 2.5.5.5 стандарта IPC-TM-650 (полосковый резонатор, ось z). «Расчетная диэлектрическая проницаемость Dk» — это широкополосное значение, измеренное в диапазоне 8–40 ГГц методом дифференциальной фазовой длины — используйте расчетную диэлектрическую проницаемость Dk в вашем электромагнитном моделировании (HFSS, ADS, CST).

* Теплопроводность TMM10i TCDk рассчитана по данным из технического паспорта Rogers. Теплопроводность TMM13i не опубликована. Водопоглощение зависит от толщины подложки — см. техническое паспорт Rogers для значений, специфичных для толщины (ASTM D570). Стандартные толщины: 0.015″–0.500″ (15–500 мил). Стандартные размеры панелей: 18 × 12″ и 18 × 24″. Медное покрытие: электроосажденное ½ унции, 1 унция, 2 унции; возможно покрытие тяжелыми металлами.

Ключевые закономерности данных: коэффициент теплового расширения Df остается низким (0.0019–0.0023) во всех вариантах независимо от коэффициента диэлектрической проницаемости Dk — разработчики могут выбирать высокий коэффициент Dk для миниатюризации без существенного снижения потерь. Коэффициенты теплового расширения xy и z близки во всех вариантах (в отличие от FR4, где коэффициент теплового расширения по оси z в 3–5 раз выше, чем по оси xy), что является основой для надежного нанесения покрытия на сквозные отверстия.

Значение Dk для процесса и Dk для проектирования: эти два значения различаются, поскольку измеряются разными методами в разных диапазонах частот. Например, у TMM4 значение Dk для процесса составляет 4.50, а для проектирования — 4.70. Используйте значение Dk для процесса только для контроля качества производства. Обратите внимание, что значение Dk для проектирования TMM13i (12.20) ниже, чем значение Dk для процесса (12.85) — всегда проверяйте, какое значение ожидает ваш инструмент моделирования.

3. TMM3 и TMM4: Низкодиэлектрические материалы для фильтров, осцилляторов и калибровочных подложек

TMM3 (Dk = 3.27 технологический параметр / 3.45 расчетный параметр). TMM3 наиболее близок к RO4350B по диэлектрической постоянной. Его TCDk +37 ppm/°K означает, что диэлектрическая постоянная незначительно увеличивается с температурой — предсказуемый, хорошо изученный дрейф, который можно компенсировать при проектировании. В диапазоне температур от −55 до +125 °C, характерном для военной промышленности, общее смещение Dk составляет приблизительно 0.7 %, что обеспечивает стабильность центральных частот фильтра без последующей настройки после изготовления. TMM3 используется в фильтрах спутниковых транспондеров, подложках управляемых напряжением генераторов (VCO) и тестовых приспособлениях, где значение Dk должно быть известно с высокой точностью и воспроизводимостью для разных производственных партий.

TMM4 (Dk = 4.50 для технологического процесса / 4.70 для проектного). TMM4 имеет наименьшую величину TCDk во всем семействе TMM: +15 ppm/°K. В диапазоне температур от −55 до +125 °C общий дрейф Dk составляет приблизительно 0.27 % — это наиболее температурно-стабильный вариант в портфеле Rogers. Его расчетное значение Dk, равное 4.70, близко к FR4 (4.2–4.5), поэтому конструкции, прототипы которых созданы на основе FR4, могут быть переведены на TMM4 без изменения размеров схемы. TMM4 является стандартным выбором для гребенчатых и межпальцевых фильтров в системах связи и военных радиостанциях, где точность частоты должна оставаться стабильной в диапазоне температур от −55 до +125 °C.

4. TMM6 и TMM10: Высокое значение диэлектрической проницаемости (Dk) для GPS-антенн и базовых станций.

Более высокое значение Dk уменьшает длину волны в волноводе, пропорционально уменьшая резонансные структуры. Патч-антенна на TMM6 (Dk = 6.00) примерно на 35 % меньше по размеру, чем та же антенна на TMM3 (Dk = 3.27). На TMM10 (Dk = 9.20) уменьшение размеров достигает примерно 50 %.

TMM6 (Dk = 6.00 техпроцесс / 6.30 проектирование). TMM6 — наиболее широко используемый вариант TMM. Патч-антенны GPS L1 (1.575 ГГц) на основе TMM6 имеют размеры примерно 25 × 25 мм — достаточно компактные для автомобильных модулей на крыше и портативных приемников. Значение TCDk −11 ppm/°K (единственное отрицательное и малое значение TCDk в семействе) может быть хорошим вариантом, когда требуется как миниатюризация, так и температурная стабильность. TMM6 также является стандартным материалом для панелей секторных антенн базовых станций сотовой связи, где уменьшение размера на 35 % на элемент позволяет разместить больше излучателей на фиксированной площади панели для массивов 5G Massive MIMO.

TMM10 (Dk = 9.20 для процесса / 9.80 для проектирования). TMM10 выводит миниатюризацию на новый уровень — уменьшение размера на 50 % по сравнению с TMM3. Области применения включают конструкции диэлектрических резонаторных антенн (DRA) и компактные антенные решетки для Wi-Fi и 5G. TMM10 и TMM10i могут заменить керамические подложки из оксида алюминия, оставаясь при этом технологичными на стандартном оборудовании для печатных плат — компания Rogers специально отмечает эту возможность в техническом описании TMM. Компромисс: коэффициент теплового расширения (КТР) xy увеличивается до 21 ppm/°K, и материал становится более хрупким при более высокой концентрации керамики. Для большей миниатюризации конструкцию TMM13i с высоким Dk следует оценивать с учетом допустимых допусков на сдвиг частоты и травление.

5. TMM10i и TMM13i: ламинаты Роджерса с наивысшим значением Dk для миниатюрных антенн.

Суффикс «i» обозначает варианты с изотропным коэффициентом теплового расширения (КТР). TMM10i (Dk = 9.80) и TMM13i (Dk = 12.85) имеют КТР, близкие по всем трем осям: оба значения составляют 19/19/20 ppm/°K (x/y/z) — наиболее стабильные значения теплового расширения среди всех ламинатов Роджерса.

TMM10i (Dk = 9.80 для технологического процесса / 9.90 для проектирования). TMM10i предпочтительнее TMM10 для программ с высокой надежностью. Его удельная плотность (2.77) идентична TMM10, но более изотропный коэффициент теплового расширения (19/20 против 21/20 у TMM10) снижает разницу напряжений между медными переходными отверстиями и окружающим диэлектриком во время термических циклов. Области применения включают элементы фазированных антенных решеток для аэрокосмических радаров, диэлектрически нагруженные полостные фильтры для спутников связи и сети разветвителей мощности, где надежность PTH более 1,000 термических циклов является обязательной.

TMM13i (Dk = 12.85 для технологического процесса / 12.20 для проектирования). TMM13i обеспечивает наиболее агрессивную миниатюризацию в портфеле Rogers — элементы антенны примерно на 60 % меньше по размеру, чем у TMM3. Это нишевый материал для сверхкомпактных GNSS-антенн, миниатюрных керамических патч-матриц и диэлектрических резонаторных генераторов (DRO). Компромиссы: самая высокая плотность (3.00 г/см³), TCDk −70 ppm/°K (наибольший температурный дрейф в семействе TMM), более низкая прочность на отслаивание меди (4.0 фунта/дюйм против 5.7 у TMM3) и теплопроводность, не опубликованная Rogers. Когда требуется максимальная Dk с возможностью обработки термореактивными материалами, TMM13i является единственным вариантом ламината, за исключением керамических подложек, изготовленных на заказ.

6. Процесс изготовления печатных плат TMM: сверление, гальваническое покрытие и ламинирование.

Благодаря термореактивной матрице TMM обрабатывается на стандартном оборудовании FR4 — это существенное преимущество по сравнению с ПТФЭ. Керамический наполнитель вносит специфические корректировки, и хрупкость возрастает с увеличением Dk.

Для микропереходных отверстий в микропроводах TMM10, TMM10i и TMM13i рекомендуется лазерное сверление — хрупкий материал может растрескиваться вокруг небольших отверстий, просверленных механическим способом. Минимальная ширина дорожки должна составлять 4 мил для TMM3/TMM4/TMM6 и 5 мил для TMM10/TMM10i/TMM13i. На каждой панели должны быть размещены тестовые образцы для измерения импеданса .

Компания Highleap производит печатные платы из TMM всех шести вариантов. TMM3, TMM6 и TMM10i имеются в наличии в стандартной толщине (25 и 50 мил). TMM4, TMM10 и TMM13i доступны под заказ со сроком поставки материалов 2–4 недели. Поддерживаются многослойные конструкции из TMM до 8 слоев и гибридные сборки TMM/FR4. Полное описание процесса изготовления всех семейств материалов Rogers см. в руководстве по процессу изготовления печатных плат Rogers.

7. Rogers TMM против RO4000 против RO3000: руководство по выбору материалов.

Наиболее очевидный пример применения TMM — это когда для конструкции требуется значение Dk выше 6.0 в сочетании со стандартной технологичностью печатных плат — ни одна другая серия Rogers не предлагает этого в формате термореактивных материалов. Второй важный пример применения — это температурная стабильность фазовых характеристик: значение TCDk для TMM4 составляет +15 ppm/°K, что является самым низким показателем в портфеле Rogers, делая его стандартом для узкополосных фильтров спутниковой связи и прецизионных радиолокационных сетей, где критически важна стабильность частоты в диапазоне от −55 до +125 °C.

TMM не подходит, когда требуется абсолютный минимум вносимых потерь (используйте RT/duroid 5880), когда работа ведется преимущественно в диапазоне выше 40 ГГц (PTFE превосходит TMM в миллиметровом диапазоне волн) или когда стоимость является основным фактором для работы в радиочастотном диапазоне ниже 10 ГГц (RO4350B дешевле и имеет более широкий ассортимент).

Запросите коммерческое предложение на печатную плату TMM от Highleap → Предоставьте файлы Gerber и требования к структуре платы. Консультации инженера по выбору оптимального варианта TMM, RO4000 и RO3000 включены бесплатно. Для получения коммерческого предложения на миниатюрную антенну укажите частотный диапазон, геометрию антенны, структуру платы, контур платы, требования к медным контактам и радиочастотному тестированию. Это позволит производителю оценить, совместим ли требуемый размер элементов с предлагаемой конструкцией.