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射频PCB用罗杰斯基材的设计要点-工程师必看

  • 2025-09-16 10:07:00
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用罗杰斯基材设计射频 PCB,需充分结合其参数特性(如介电常数稳定、热膨胀系数特定),才能最大化发挥基材优势。与普通 FR-4 基材不同,罗杰斯基材的低损耗、高稳定性需通过精准的叠层设计、阻抗控制、布线规则、热设计来实现,任何细节偏差(如 0.01mm 线宽误差、0.1mm 层间距偏差)都可能抵消基材的性能优势。今天,我们聚焦设计核心环节,结合罗杰斯基材的具体参数,提供可落地的设计方法与案例,帮你避开设计误区。

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一、叠层设计:适配罗杰斯基材的 “介电与热特性”

叠层设计的核心是 “利用罗杰斯基材的介电稳定性,构建低干扰、低损耗的信号传输环境”,需重点关注 “层间距”“接地层布局”“基材厚度选择”。

以 4 层射频 PCB(WiFi6 路由器,用 Rogers 4350B 基材,εᵣ=3.48)为例,推荐叠层结构及设计依据:

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设计关键注意事项:

  1. 基材厚度匹配层间距:罗杰斯基材的标准厚度(如 0.127mm、0.254mm)需与层间距需求匹配,避免裁切导致厚度不均。例如设计 0.15mm 层间距,可选择 0.127mm 厚的 4350B 基材,叠加 0.023mm 厚的粘结片(Rogers 4450F,tanδ=0.004),确保层间距精准。

  1. 高频信号层单独用罗杰斯基材:无需所有层都用罗杰斯基材 —— 仅射频信号层用 4350B/5880,其他层用 FR-4,可降低 30%~40% 成本。某 5G CPE 厂商采用此设计,射频 PCB 成本从 120 元降至 80 元,性能无明显下降。

  1. 热膨胀系数(CTE)匹配:罗杰斯基材与铜箔的 CTE 需匹配,避免 PCB 受热翘曲。例如 4350B 的 X/Y 轴 CTE 为 14ppm/℃,应选择同 CTE 的铜箔(如电解铜箔,CTE≈17ppm/℃),层压时温度控制在 180℃(4350B 的 Tg 温度 280℃,避免超过 Tg 导致基材软化)。


二、阻抗控制:基于罗杰斯基材参数的 “精准计算”

射频 PCB 的阻抗公差需控制在 ±3%(普通 PCB±10%),罗杰斯基材的 εᵣ稳定(如 4350B±0.05)为精准阻抗提供可能,设计需分 “传输线类型选择”“阻抗计算”“设计验证” 三步。


1. 传输线类型选择

  • 微带线:射频信号层在表层,下方为接地层,适用于单端射频信号(如 5G 基站的射频输入),用罗杰斯基材时,微带线的损耗比带状线低 10%~15%;

  • 带状线:信号层夹在两层接地层之间,适用于差分射频信号(如 HDMI 2.1 的射频通道),抗干扰能力强,适合多射频信号共存的 PCB。


2. 阻抗计算(结合罗杰斯基材参数)

以 Rogers 4350B(εᵣ=3.48)、微带线、50Ω 阻抗为例,计算线宽(W)和层间距(h):

  • 公式(微带线阻抗):Z₀ = (87/√(εᵣ+1.41)) × ln (5.98h/(W+0.8T))

其中:T 为铜箔厚度(1oz=0.035mm),h 为信号层与接地层间距。

  • 计算案例:若 h=0.15mm,T=0.035mm,代入公式得 W≈0.32mm(公差 ±0.02mm)。

  • 注意:阻焊层会影响阻抗 —— 罗杰斯基材的阻焊层 εᵣ≈3.0,会使 Z₀降低约 5%,设计时需预留余量,如目标 50Ω,计算时按 52.5Ω 设计,抵消阻焊层影响。


3. 设计验证

用仿真软件(如 Ansys SIwave)输入罗杰斯基材的实际参数(εᵣ=3.48,tanδ=0.0037),模拟射频信号在传输线上的阻抗变化。若发现过孔处阻抗突变(如从 50Ω 升至 65Ω),需在过孔旁增加接地过孔(间距≤0.5mm),形成 “信号过孔 - 地过孔” 的屏蔽结构,减少寄生电感(从 0.1nH 降至 0.05nH)。



三、布线规则:适配罗杰斯基材的 “低损耗特性”

罗杰斯基材的低损耗需通过合理布线才能体现,核心规则是 “减少信号损耗点”“避免干扰”,具体如下:

  1. 射频信号线的线宽与长度控制:

  • 线宽:按阻抗计算结果设计,偏差≤±0.02mm(如计算 0.32mm,实际 0.30~0.34mm),避免线宽不均导致阻抗波动;

  • 长度:尽量缩短,中高频射频信号(如 26GHz)每增加 1cm,损耗增加 0.12dB(4350B 基材),因此 5G AAU 的射频信号线长度需≤8cm。某基站厂商将信号线从 10cm 缩短至 7cm,信号损耗降低 0.36dB,覆盖半径提升 8%。

  1. 避免过孔与直角布线:

  • 过孔:罗杰斯基材的过孔寄生参数更敏感,每增加一个过孔,寄生电容增加 0.5pF,导致信号反射增加 5%。若必须用,选择盲孔(如 0.15mm 直径),并在过孔旁增加 2~3 个接地过孔(间距 0.3mm);

  • 直角布线:高频信号在直角处会产生辐射损耗(增加 0.2dB),需用 45° 角或圆弧布线,圆弧半径≥线宽的 3 倍(如线宽 0.3mm,半径≥0.9mm)。

  1. 差分对布线 “平行等距”:

射频差分信号(如 USB4 的射频通道)需平行等距布线,间距为线宽的 2~3 倍(如线宽 0.3mm,间距 0.6~0.9mm),长度差≤5mil(0.127mm),避免相位偏移。用罗杰斯 5880 基材时,差分对的插入损耗比普通基材低 20%,需通过严格布线保持这一优势。

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四、热设计:应对罗杰斯基材的 “热特性”

射频 PCB 工作时,功率放大器(PA)等元件会发热(如 5G PA 的功耗达 10W),罗杰斯基材的导热系数较低(4350B 为 0.3W/m・K),需通过设计散热:

  1. 铜箔加厚:射频信号层铜箔从 1oz 增至 2oz,导热系数提升 50%,帮助热量扩散;

  1. 散热过孔:在 PA 下方布置密集散热过孔(孔径 0.2mm,间距 0.5mm),将热量传导至接地层;

  1. 避开基材 Tg 温度:罗杰斯基材的 Tg 温度(4350B 为 280℃)是软化临界点,设计时需确保 PCB 工作温度≤Tg 的 70%(即≤196℃),避免基材性能下降。


射频 PCB 用罗杰斯基材的设计,需 “以基材参数为核心”,从叠层、阻抗、布线到热设计,每一步都与罗杰斯的 εᵣ、tanδ、CTE 精准匹配。只有这样,才能充分发挥罗杰斯基材的优势,实现射频信号的低损耗、高稳定传输。