淺談多層天線板三階互調(diào)的控制

Paper Code: A-101

王 飛 李長生 嚴來良 安國義

深圳市深聯(lián)電路有限公司

淺談多層天線板三階互調(diào)的控制

Paper Code: A-101

王 飛 李長生 嚴來良 安國義

深圳市深聯(lián)電路有限公司

文章以多層天線板的三階互調(diào)控制為主題，根據(jù)影響多層天線板三階互調(diào)的因素，再結(jié)合實際生產(chǎn)過程中探索積累的一些經(jīng)驗，簡要綜述 了如何降低天線產(chǎn)品由三階互調(diào)所引起的信號干擾。

PTFE；三階互調(diào)；控制

1 前言

天線是完成電磁波信號在空間發(fā)射與接收的設(shè)備，在通信、雷達、導(dǎo)航、航空、航天等領(lǐng)域都占有不可或缺的重要地位。近些年，隨著電子衛(wèi)星通信產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，平板天線（又稱印制電路天線或微帶天線）由于較之拋面型天線具有擁有平面結(jié)構(gòu)、體小量輕、制作簡單、外觀美觀、成本低廉、可同載體雙共形設(shè)計、便于與所需微波控制元件及饋電網(wǎng)絡(luò)等一起集成之特點，而逐漸開始受到越來越多的關(guān)注。

平板天線主要接收Ku波段微波信號，其中心頻率為12 GHz，帶寬不低于500 MHz。顯然，保證如此之高工作頻率的信號高速及穩(wěn)定地傳送無疑是天線核心而又首要的任務(wù)，而作為平板天線核心部件的印制線路板在其高速信號傳輸過程中的地位則顯得舉足輕重。然而，當平板天線工作時，印制線路板這一無源非線性系統(tǒng)所產(chǎn)生的互調(diào)干擾（其中尤以三階互調(diào)最難消除）則使信號傳送質(zhì)量面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)。本文將根據(jù)影響天線板三階互調(diào)的主要因素，再結(jié)合公司與客戶共同研究開發(fā)的一款產(chǎn)品，淺述一下如何降低天線產(chǎn)品由三階互調(diào)所引起的信號干擾。

圖1 三層PTFE材料電銀天線板壓合結(jié)構(gòu)

2 三階互調(diào)的測量及影響天線板三階互調(diào)的因素

2.1 三階互調(diào)干擾

在通信及信息處理設(shè)備中，元器件的非線性通常會使同時侵入的兩個或多個強干擾信號發(fā)生相互調(diào)制，并產(chǎn)生新的頻率成份，這種現(xiàn)象稱為互調(diào)。而在一個非線性系統(tǒng)中

由互調(diào)引起的信號失真我們就稱為互調(diào)失真?；フ{(diào)失真包括偶數(shù)階互調(diào)失真及奇數(shù)階互調(diào)失真。所謂三階互調(diào)是奇數(shù)階互調(diào)的一種，它是指一個信號的二次諧波與另一個信號的基波產(chǎn)生差拍（混頻）后所產(chǎn)生信號寄生的現(xiàn)象。偶數(shù)階互調(diào)失真一般遠離基波頻率而很容易被濾除，而奇數(shù)階互調(diào)失真中的一部分緊靠在基波頻率附近很難被濾除，其中尤以三階互調(diào)失真振幅最大影響最大，會導(dǎo)致信號頻帶擴展，引起正常信號失真，破壞輸出電壓和輸入電壓間的線性關(guān)系。因此三階互調(diào)是衡量通信及信息處理設(shè)備線性度的一個重要指標。

圖2 等輸入時的三階互調(diào)產(chǎn)物

2.2 三階互調(diào)測量

無源器件互調(diào)失真的分析和測量比較復(fù)雜，到目前為止尚無理論上的分析模型，無源互調(diào)測試項目及測試方法亦尚無相應(yīng)國家標準，通常都是按照國際電工委員會（IEC）推薦的測量方法進行測量的。在IEC推薦的測量方法中，建議測量器件的正向（傳輸）和反射互調(diào)產(chǎn)物，天線的測量則歸入反射互調(diào)測量。我們測量時采用無源互調(diào)分析儀。

圖3 反射互調(diào)測量方案

圖4 無源互調(diào)分析儀參數(shù)設(shè)置及模擬圖示

2.3 三階互調(diào)干擾水平描述

三階互調(diào)干擾水平有兩種描述方法。一種是用絕對的三階互調(diào)輸出電平進行描述，單位是dBm，可用頻譜儀直接測量，另一種是用相對的三階互調(diào)抑制度來描述，單位是dBc，它等于基頻輸出電平與三階互調(diào)輸出電平之差。我們在實際測量中一般采用三階互調(diào)抑制度描述三階互調(diào)干擾水平。

2.4 影響天線板三階互調(diào)的因素

經(jīng)過近段時間對天線板制作工藝的研究與摸索，影響天線板三階互調(diào)的主要因素有：磁滯材料、導(dǎo)體表面粗糙度、鍍層導(dǎo)電性及圖形表面氧化情況四大方面。

3 天線板三階互調(diào)的控制

3.1 磁滯材料

板材選用無鎳銅箔之板材。電解銅箔是印制電路板基材制造過程中最重要的原材料之一，然而只經(jīng)過電解得到的銅箔（稱為生箔或毛箔）不能直接與絕緣基體壓成覆銅箔層壓板。為了防止銅微粒遷移進入絕緣基體而影響印制電路板的絕緣性，同時為了提高銅箔與絕緣基體的結(jié)合力以及銅箔 的耐熱性、抗氧化性和耐化學(xué)腐蝕性等性能，必須對銅箔進行一系列的表面處理，即粗化處理、阻擋層處理以及鈍化處理。企業(yè)在對電解銅箔進行表面處理時，其阻擋層主要采用鍍鋅層、鍍鎳層、鍍鎳銅合金層、鍍鎳磷合金層、鍍鋅鎳鉛合金層及鍍鋅鈷砷合金層等。因鎳之磁滯性而選擇無鎳阻擋層之覆銅箔板材。

表面鍍層采用無鎳之鍍層。印制板鍍層是指阻焊層以外的可供電氣連接或提供可焊性的涂層。常見鍍層有熱風(fēng)整平錫鉛合金、電鍍錫鉛合金、電鍍鎳金、化學(xué)鍍鎳浸金、化學(xué)銀、化學(xué)錫和涂有機可焊性保護劑等。由于電鍍鎳金及化學(xué)鍍鎳浸金含有鎳之磁滯材料而不予考慮。經(jīng)與客戶溝通后本次試板表采用電銀方式。

表1 幾種物質(zhì)相對磁導(dǎo)率一覽表

3.2 導(dǎo)體表面粗糙度

（1）銅箔表面粗糙度。PCB加工常用的銅箔從制造工藝方面分電解銅箔和延壓銅箔，從銅箔的表面粗糙度來說，有普通銅箔與低輪廓銅箔之分。普通銅箔的原箔微結(jié)晶非常粗糙，呈粗大的柱狀結(jié)晶，其切片橫斷層的棱線起伏較大；而低輪廓銅箔的結(jié)晶很細膩（在2 mm以下），為等軸晶粒，不含柱狀的晶體，呈成片層狀結(jié)晶，且棱線平坦，表面的粗化度低。超低輪廓電解銅箔經(jīng)實際測定，平均粗化度（Ra）為0.55 mm（一般銅箔為1.40 mm），最大粗化度為5.04 mm（一般銅箔為12.50 mm），從無源互調(diào)的要求來看選擇低輪廓銅箔是非常必要的。

圖5 不同粗度銅箔的傳輸損耗

（2）鍍層表面粗糙度。為控制表面粗糙度，做線路圖形、阻焊及表面鍍層之前等傳統(tǒng)需磨板工序不可過針刷、不織布或火山灰處理，只需過噴砂即可。

3.3 鍍層導(dǎo)電性

（1）鍍層厚度控制：鍍層厚度一定要達到要求，否則會對三階互調(diào)干擾造成嚴重影響。

（2）毛刺沙眼線凸：在線路圖形制作時不可有沙眼毛刺線凸等缺陷。

3.4 圖形表面氧化情況

壓合前不進行棕化處理。傳統(tǒng)上，為保證層壓質(zhì)量，層壓前需對銅層表面進行氧化處理，粗化銅箔表面，以增大銅箔與樹脂之間的接觸面積，達到增強層間表面結(jié)合力。因為銅箔和樹脂的熱膨脹系數(shù)不一致，在受熱情況下，兩者的結(jié)合力如果不夠強極易在界面分層。因此，在層壓前需對要層壓在一起的單片進行處理。目前普遍采用的是氧化處理。氧化的目的主要有兩個：（1）增大銅表面粗糙度，這使得銅和樹脂的粘結(jié)面積增大，從而增強其間的結(jié)合力；（2）氧化可使得表面非極性的Cu變成極性的CuO和Cu2O，而極性的CuO和Cu2O能提高與樹脂間的結(jié)合力。目前我們主要采用棕化進行氧化處理。

然而實際生產(chǎn)后發(fā)現(xiàn)棕化對高頻板三階互調(diào)有重要影響。通過對比后決定取消棕化而采用不進行氧化處理直接進行壓合之工藝進行生產(chǎn)。

另外，板件在制作及運送過程中也應(yīng)避免氧化。鑼板及外觀檢察時均需手戴無硫手套操作。

4 結(jié)論

綜上所述，多層天線板三階互調(diào)的控制主要從避免使用磁滯材料、保證導(dǎo)體表面低的粗糙度、使鍍層具有良好的導(dǎo)電性及避免使圖形表面氧化幾個方面進行。通過上述方法我司所做三層PTFE材料多層天線板在客戶端順利通過-155dBc三階互調(diào)測試。

[1] 林金堵, 梁志立等. 現(xiàn)代印制電路先進技術(shù)[M]. 中國印制電路行業(yè)協(xié)會, 2009(3).

[2] 馬憬峰. 家用平面微帶天線基板設(shè)計[J]. 印制電路信息, 2009(7).

[3] IPC-4562[S. 2000(5).

Discussion on the control of the third order intermodulation of antenna multilayer board

WANG Fei LI Chang-sheng YAN Lai-liang AN Guo-yi

This article is mainly focused on the control of the third order intermodulation of antenna multilayer board. Based on factors that will affect the third order intermodulation of the antenna multilayer board as well as some daily research and production process, this paper also brief l y shows how to lower the third order intermodulation interference.

PTFE; Third Order Intermodulation; Control

TN41 < class="emphasis_bold">文獻標識碼：A文章編號：

1009-0096（2012）增刊-0406-04

介紹王飛，研發(fā)部工程師，從事PCB新技術(shù)、新產(chǎn)品的研發(fā)工作。