毫米波信号对PCB走线、电缆和连接器的影响

毫米波技术在各种应用中的使用正在增长，从5G电话到汽车系统和无人机。在毫米波频率下，信号完整性(SI)是一个主要问题。SI测量信号在无失真或不适当损失的情况下传播的能力。它测量通过系统中的印刷电路板 (PCB) 走线、电缆和连接器的信号的质量或失真。信号失真可能会破坏可靠的系统运行，并且由于阻抗不匹配、反射、振铃、串扰、抖动、地弹等因素而发生。

根据所使用的信号调制方案以及其他因素，SI优化采用不同的形式。例如，对于使用ASK、PSK、QAM、QPSK或任何其他使用相位或幅度突然变化，来编码数字信息的信号调制方案的信号来说，控制振铃的需求至关重要。对于FSK等足够平滑的调频方案，振铃的影响较小。振铃只是SI的一方面。其他SI和PCB布局注意事项包括：

控制阻抗是防止毫米波PCB中出现 SI 问题的最重要因素。互连几何形状对于确定和控制阻抗很重要。走线形状是一个复杂的因素，除了足够的隔离外，还包括介电吸收、趋肤效应、粗糙度损失和散射造成的损失。

高频PCB通常依靠微带或带状线传输线几何结构与保护通孔来隔离不同的电路块并减少辐射发射。另一种方法是使用接地共面波导 (GCPW) 布线，与其他两种布线方法相比，它可以提供更低的损耗和更强的隔离，尤其是在表面层上。

图1：毫米波频率PCB布局中的边缘耦合接地共面波导 (GCPW) 示例。

对于 GCPW，集肤效应仍然存在，但GCPW周围的地平面将电流吸引到波导的水平边缘，这里的表面粗糙度最低，从而减少了集肤效应。GCPW 与微带线和带状线的使用取决于所用频率下基板的损耗角正切。在毫米波频率下，GCPW 通常与 FR4 基板一起使用，而微带线和带状线与其他基板材料一起使用。

基板中的介电吸收只是损耗的一个因素。铜的粗糙度和趋肤效应也是重要的考虑因素。在毫米波频率下，电流被限制在导体边缘附近，从而产生趋肤效应。蚀刻铜的粗糙表面也是直流损耗的来源。代替使用蚀刻，使用附加工艺在基板上创建迹线可以降低粗糙度并提高高频效率。

传统的减材PCB制造工艺会创建梯形横截面的走线，顶部比底部窄。梯形横截面角度可以与垂直方向成 25 到 45 度，从而改变走线的阻抗并降低毫米波频率下的性能。除了降低表面粗糙度外，使用增材 PCB 制造工艺还可以在走线上形成垂直边，从而消除梯形横截面对高频性能的限制。

用于射频和毫米波的同轴电缆

基本同轴(同轴)电缆是一种带有中心导体和外导体的双导体结构，外导体也用作屏蔽，两者之间有绝缘垫片。该结构提供了对电缆阻抗的严格控制，并提高了高频性能。同轴电缆用于各种应用。同轴电缆的两种主要类型：用于高速数据、射频、毫米波传输的50Ω产品，和主要用于视频信号和其他应用的75 Ω产品。

图2：带有单屏蔽的基本同轴电缆结构。

高性能同轴电缆专为嘈杂的环境而开发。这些电缆可以由 10 个或更多元素组成(见下图)：

1. 中心导体——初级导体，通常由铜包钢制成。

2. 中心导体粘合——聚合物涂层可阻止水分迁移。

3. 电介质——低损耗、低密度、聚乙烯泡沫。

4. 第一个外导体——铝-聚合物-铝带屏蔽。

5. 第二个外导体——铝-聚合物-铝带用于三屏蔽和四屏蔽电缆，以提供增强的高频 (HF) 屏蔽和隔离。