随着移动无线通信业务的日益增长，第四代（4G）LTE无线网络已经显得力不从心，因此需要寻求下一代移动无线网络的解决方案。第五代（5G）无线网络使用毫米波频率，拥有更宽的带宽，新的天线技术和调制技术，以及更高的载波频率，比4G LTE系统更高的信道容量和传输能力。虽然这些并没有完全确定，但是，在5G无线网络标准最终敲定之前，5G电路系统需要比目前4G LTE无线网络工作的2.6GHz更高的频率已经是板上钉钉的共识。

正在讨论中的5G标准的最终目标是：使用比传统无线通信系统更高的频率，以低延迟实现10Gb/s以上的数据传输速率。例如，去年在美国，联邦通信委员会（FCC）批准在28GHz、37GHz和39GHz三个频段使用5G频段。

适用毫米波频率的PCB材料

对于电路设计工程师来说，如何选择正确的PCB材料是设计电路一开始就要面临的挑战。这意味着，对于毫米波频率，需要知道哪些印刷电路板（PCB）材料的属性在高频下是最重要的。毫米波频率（30GHz以上）曾经一度全由军方和研究机构使用。但随着5G的到来，加速了毫米波频率的“普及”并使其有机会进人们的日常生活。毫米波应用不再仅仅局限于军事用途等少数电子设备研究，而是大规模应用于人和物互联的潜在数十亿规模的电子设备，如物联网（IoT）设备如何使用5G网络进行互联网接入。

毫米波频率电路设计从选择正确的PCB材料开始，尤其需要了解PCB材料的各种参数会对毫米波频率性能产生怎么样的影响。某些电路材料参数（例如介电常数Dk）的变化会随着工作频率的增加而对性能产生较大的影响。例如，信号功耗是毫米波频率重要的衡量指标，它要求电路设计人员尽可能地最大程度减少电路中的损耗。这从PCB材料的选择就要开始考虑，因为不适用于毫米波频率的PCB材料可能会在超出其预期工作频率范围时导致过大的信号损耗。

降低PCB材料信号损耗的原因主要有以下三种：辐射损耗，介电损耗和导体损耗。通过EM能量辐射的损耗很大程度上取决于电路的架构，所以对于那些本来就具有辐射能量趋势的电路，即使是采用最低损耗的PCB材料也无法降低其损耗。

正确选择PCB材料有助于最小化毫米波频率下的介质和导体损耗。电路材料的介电损耗与其耗散因数（Df）或损耗角正切密切相关，它会随着频率的增加而增加。通过选择具有低Df值的线路板材料，通常情况下可以最小化毫米波电路的介质损耗。

控制导体损耗

在毫米波频率下只考虑材料的低导体损耗特性是远远不够的，因为导体损耗由许多其它因素共同决定，包括表面粗糙度和表面处理工艺方式。顾名思义，毫米波信号具有非常小的波长，线路板材料中的微小机械变化都可能对小波长的信号产生显著影响。铜表面粗糙度的增加会增加诸如微带传输线之类的导体损耗，并且减慢通过它传播信号的相速度。在微带线中，信号通过电介质材料和电路材料周围的空气，沿着导体传播，因此导体与介电材料界面处的粗糙度将影响导体损耗。损耗量取决于频率：当传播信号的趋肤深度小于铜表面粗糙度时损耗最大。这种情况也会降低传播信号的相位响应。

在毫米波频率下铜表面粗糙度对损耗的影响变得更明显，例如，采用罗杰斯公司的5mil厚的RT/duroid^® 6002线路板材料，选取不同类型铜导体及表面粗糙度的两个电路，在77GHz频率下进行对比实验。两种材料分别为：均方根（RMS）为0.3μm表面粗糙度的压延铜线路板材料，以及1.8μm表面粗糙度的电解（ED）铜导体线路板材料，使用前者加工的电路的导体损耗明显低于后者。

另外，铜表面粗糙度对导体损耗的影响也取决于PCB材料的厚度：薄的电路比厚的电路更易受影响。

毫米波频率下小波长信号传播也可能受到PCB表面处理工艺方式的影响。大多数表面处理材料的导电性能比铜要低，将它们镀到铜导体表面会增加导体的损耗，且随着频率增加损耗会增加。化学镍金工艺（ENIG）是常用的PCB铜导体表面处理工艺；不幸的是，镍的电导率约为铜的三分之一。结果，ENIG增加了导体的损耗，使总的损耗值增加。

环境影响

环境条件也会影响PCB材料的损耗，这种影响在毫米波频率下更加明显。与早期的无线网络相比，常见的5G网络场景使用了许多小型无线基站，部分原因是预期用户数量的增加，同时毫米波频率的传播距离比低频载波的传播距离更短。如果5G基站不能够处于可控的环境下，则其电路性能可能会随着所处环境变化而发生变化，例如受到高相对湿度（RH）影响。吸水可以显著增加PCB材料的损耗，并且在高RH条件下，具有高吸湿率的线路板材料的损耗将极大地受到影响。

在两个不同的工作环境下，对罗杰斯公司的5mil厚的RO3003™线路板材料进行对比测试，来显示毫米波频率下的损耗会随RH变化情况：将一个电路保持在室温，另一个电路在+85℃和85％RH下进行72小时的连续测试。在79GHz时，测试室温下损耗比高湿高温环境下的损耗约小0.1dB/inch。针对不同的供应商的另外一种热固性线路板材料进行的测试显示，79GHz频率下，其电路损耗增加加相当显著。

罗杰斯为有兴趣了解更多PCB材料高频特性的5G设计电路工程师，特别是毫米波频率工程师，制作了一系列“5G”相关的教学视频。这些视频可以告诉大家在毫米波频率下不同的线路板材料参数会影响哪些电路性能，以及哪些材料特性在较高的频率上产生的差异最大。这些视频提供了快速简单的方法来学习如何选择适合5G的PCB材料，并为下一轮无线通信技术革命做好准备。

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