5G和物联网应用中高频线路板材料的机遇

Opportunities for High Frequency Materials in 5G and the IoT

Art Aguayo，罗杰斯公司，美国亚利桑那州钱德勒

当今，没有哪一天我们不会遇到5G和物联网（IoT：Internet of Things）相关的话题。事实上，一旦所有的一切都发生“互联”，未来世界将是万物相连，它将给我们带来的美好憧憬：车联网或智能汽车、智能家居、智慧城市以及智能的一切，这将使我们的生活更加方便。很难想象这样的未来——就像我们在2000年时无法想象2015年互联网呈现的样子。

在讨论这些技术可能带来的潜在好处和相关商业案例时，出现了许多5G和IoT的定义预测和建议。国际电信联盟（ITU）一直致力于从技术角度定义什么是5G IMT-2020，或至少定义5G在性能上与4G（IMT-Advanced）有何不同。5G IMT-2020一词是国际电联无线通信分部（ITU-R）在2012年提出的，大概意思是“国际移动通信系统”，目标实现日期为2020年。在该定义中，我们看到IoT将如何从中受益。诸如峰值数据速率、移动性、延迟和频谱效率等参数的定义都很重要，因为它们对于提升用户体验、增强移动宽带（eMBB）、超可靠和低延迟通信（URLLC）是很关键的。图1显示了国际电联设计规划的5G。

图1、国际电联对IMT-2020的描述，包括使用场景（a）和增强的IMT-Advanced性能（b）

另一方面，IoT需要不同的参数来以同一种模式运行，这种方式只需初始化设置，之后很少甚至不需要用户每天都对设备进行额外的操作。如今，我们正看到IoT市场的兴起，已经存在的M2M（机对机）市场正在不断扩张，估计2015年已有6亿台设备^[1]。IoT可以分为两个类别^[2]。第一类是指大规模IoT连接，其具有高连接量、低成本、低能耗和小数据流量的特点。第二类是需要非常低的延迟和超可靠性的关键IoT连接。表1列出了这两个类别中各自的应用。

图2是基于爱立信移动通信报告的对连接设备的市场预测^[3]。可以看到传统的连接设备如固定电话、移动电话和计算机/平板电脑等市场放缓，而与IoT相关的设备，包括所有移动和非移动设备，其总数年增长速度超过了20%。IoT市场空间也可以通过如何实现连接来进行评估，特别是使用低功耗技术的连接。表2中是各种低功率标准汇总比较。

图2、爱立信移动通信报告的连接设备市场预测

5G专注的焦点之一是可用频率带宽的分配，现在似乎有三种方案：低于6GHz、15至40 GHz和60GHz以上。一部分5G通信将是数据密集型，通信频率在28GHz、39GHz和77GHz附近的可能性较大，因为这些频段的频谱是可用的。但由于许多IoT应用预计均属于低数据速率，因此大多数IoT活动都集中在亚6GHz频谱上。但IoT监控是一个例外，因为它需要从偏远区域传送高清晰度视频而可能需要用到毫米波频段。

材料应用

印刷电路板（PCB）是任何电子系统中的基本组成部件。用于射频（RF）的PCB材料的选择取决于频率、功率大小、电路尺寸和要实现的功能。射频设计工程师可以从最基础的环氧树脂/玻璃材料（FR-4）、中等损耗的材料以及高端微波/毫米波材料中选择。最常见的一类PCB材料是FR-4，它具有可靠的机械性能而多用于多层板电路。但该类材料性能存在较大的不一致性，其损耗因子（Df）或损耗角正切值的变化从0.01到0.02以上（参见图3中的第1层和第2层材料）。这类材料的特点是成本较低，同时易于加工制造实现复杂多层板。因所应用的电路没有高性能和一致性要求，因此实际在应用中并没有真正关注材料电性能的重复或一致性。第二类材料是特种树脂，有时与环氧树脂混合，能够对板材损耗实现一定程度的改善。这些材料主要用于高达10Gbps的高速数字应用。第三类材料定义为高频材料（图中第5层和第6层材料），它们的Df均小于0.005。

图3、按损耗正切（Df）分类的PCB材料

在决定使用哪种类型的PCB材料时，选择过程会考虑多种参数：损耗、介电常数、厚度、导热性，以及我们十分关注的成本。往往到最后，我们会在充分考虑生产成本后，选择适当的材料。今天的许多物联网市场在收发信机或天线部分还是使用传统的FR-4。然而，在物联网市场的某一些应用场合则需要更高的可靠性，例如工业、医疗、交通控制、汽车和智能电表。这些场合必需要使用更高性能的材料，因此越来越多的关注到图3中第5层和第6层提到的材料，以满足可靠性要求。

那么，选择高性能材料来代替FR-4有哪些好处呢？第一个好处就是设计工程师所关注的参数损耗正切直接反映出对电路损耗的影响。大多数时候，这是首要的考虑因素。对于某些材料，这种损耗差异可能达到几个数量级。以下面参数为例来模拟分析插入损耗的变化，为了方便理解，暂不考虑介电常数的差异在分析中造成的影响（因为FR-4的Dk约为4.4，而高频材料的Dk值都低一些）：FR-4板材，DK=4.4，介质厚度为0.020”的50Ω传输线。通过计算，50Ω传输线的线宽为0.038” ^[5]。基于该电路在2.4GHz频率下，比较其Df从0.02变化到0.004时插入损耗的变化情况：当Df为0.02时，插入损耗为0.24dB/inch；而当Df为0.004时，插入损耗仅为0.01dB/inch。如果这个电路是一个天线，这种优势将变得十分明显：较低的损耗能提高天线的灵敏度，从而扩展天线的信号覆盖范围。

在某些情况下，材料选择的主要考虑因素不是材料的损耗而是其它参数。有时材料选择主要考虑材料介电常数的变化或者说公差。大多数高性能材料的公差一般小于±2%，对于具有低介电常数的材料来说这个公差甚至会更小，但FR-4材料的公差则可能大于±5%。因为FR-4的潜在的不确定性变化，我们可能需要增加额外的调谐电路以确保电路在指定的频率内正常工作，而具有更低公差的材料则不需要考虑这样的额外优化。

环境变化同样会影响FR-4的介电常数，但对高性能材料的影响较小。FR-4比高性能材料具有更高的吸水性，这会导致Dk增加（Df也一样）。如果电路需要在高湿度环境中工作，例如热带地区，由于介电常数的变化，FR-4材料参数会发生漂移。相比之下，吸湿率对高频层压板的介电常数的影响却很小。同样，温度的变化也会对电路产生比较大的影响。如图4，FR-4材料的介电常数随温度变化是非常明显的。与图中更稳定的高频材料相比，FR-4的变化几乎多出一个数量级。FR-4的介电常数随温度改变可高达400ppm/℃，而对于类似RO3003^TM和RO4350B^TM的层压板材料，其变化仅仅为40ppm/℃。考虑所有这些因素（如公差、吸水率和温度变化特性等），当某些场合需要更高一致性设计的时候，选择一种高频材料而不是FR-4可能是最佳选择。

图4、归一化介电常数与温度之间的关系。

在许多情况下由于应用空间有限，物联网电路需要具备尽可能小的尺寸。在这些情况下，就需要考虑天线或电路的小型化设计。与使用Dk为4.4的FR-4电路相比，通过选择介电常数为6、10或更高的材料，可以有效减小电路尺寸。当使用Dk为4.4、1GHz频率下厚度为0.020"的PCB微带线波长约为7"，而采用Dk为10.2的材料（例如Rogers RO3010™层压板），同样的频率微带波长仅为4.4"，电路板尺寸减少了近40%^[5]。与FR-4相比，更高的介电常数材料可以让设计工程师缩小电路板的尺寸，更能节省电路板的面积。

物联网相关的应用还可能在较高的28GHz至40GHz频率范围内，且并不一定都运行在低功率网络上，因此这种情况下使用高频材料是必须的。另外，对损耗的控制也是非常重要的，因此使用低损耗因子的材料显得至关重要；同时选择光滑的铜箔可以减少导体对插入损耗的影响。基于PTFE的材料通常通过使用压延铜箔来代替传统的电解铜箔来降低铜箔表面粗糙度。然而，对于低损耗热固性的树脂材料，使用光滑铜箔会影响到铜箔的剥离强度，许多情况下铜箔粗糙度只能降低到工业规定的极限值。为了解决这个问题，罗杰斯推出了LoPro™铜箔技术与Rogers RO4000®材料相结合，这让设计工程师能够减少插入损耗，同时能将铜箔的剥离强度保持在标准铜的水平。

小结

5G和物联网已经从理论前沿走向实际应用。可能我们并不能想象不久的将来5G和物联网应用将会怎样彻底改变我们的生活。但我们能肯定的是，市场中的许多细分领域在未来几年内将发生重大变化。智能家居、智慧城市、远程医疗监护、工业控制和自动驾驶将成为人们越来越关注、越来越感兴趣的话题。这其中的许多应用可能使用更高性能的材料，特别是对于毫米波应用。5G和IoT的定义还有很多，毫无疑问我们还会看到更多令人惊讶的材料应用的案例。当人们问到：“为什么我们要把一个特定的产品接入到互联网？”我们可能会情不自禁地说：“因为我能！”。

参考文献

1. Cisco, “Visual Network Index: Global Mobile Data Traffic Forecast Update,2015-2020,” February 2016.

2. International Communications Union,“IMT Vision–Framework and Overall Objectives of the Future Development of IMT for 2020 and Beyond,” September 2015.

3. Ericsson, “Ericsson Mobility Report,” June 2016.

4. Nokia, “From NB-IoT to 5G,” IWPC Workshop Presentation, October 2016.

5. Simulation Using Rogers’ Microwave Impedance Calculator, https://www.globalcommhost.com/rogers/acs/techsupporthub/en/login.php