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為射頻高功率應用選擇PCB材料

2020-06-29 來源:微波射頻網 作者:羅杰斯-John Coonrod 字號:

盡管也有一些高功率的PCB應用與基站無關,但大部分高功率的PCB應用都與基站的功率放大器相關。在設計此類高功率RF應用時,需要做多個方面的考慮。本篇文章集中討論的是基于PCB的基站功率放大器的應用,但此處討論的基本概念也適用于其他高功率應用中。

大多數高功率RF應用都存在熱管理問題,做好熱量管理需要考慮一些基本的關系。例如與損耗的關系,當電路中輸入信號功率后,損耗越高的電路會產生更高的熱量;另一個是與頻率相關,頻率越高將產生更多的熱量。另外,任何介質材料中熱量的增加會引起介電材料Dk(介電常數)的變化,即介電常數溫度系數(TCDk)。隨著損耗的變化導致電路溫度的變化,溫度的變化導致Dk的變化。這種由TCDk引起的Dk變化會影響RF電路的性能,并且可能會對系統應用造成影響。

對于熱損耗關系,可以考慮多種不同材料以及對應的PCB特性。有時,當設計人員為PCB應用選擇低損耗材料時,他們可能只考慮了耗散因子(Df或損耗角正切)。Df僅僅是材料的介質損耗,但是,電路還會有其它損耗。與射頻性能相關的電路總損耗是插入損耗,插入損耗由四個損耗組成,是介質損耗、導體損耗、輻射損耗和泄漏損耗的總和。

使用Df為0.002的極低損耗材料和非常光滑銅箔的電路將具有相對較低的插入損耗。然而,如果仍使用相同的低損耗材料的相同電路,但使用粗糙度大的電解銅(ED)代替光滑銅就會導致插入損耗顯著增加。

銅箔表面粗糙度將影響電路的導體損耗。需要明確的是,與損耗有關的表面粗糙度是在加工層壓板時銅—介質界面處的銅箔表面粗糙度。另外,如果電路使用的介質較薄,銅箔面就會更靠近,此時銅箔表面粗糙度對插入損耗將比相對厚的介質產生更大的影響。

對于大功率RF應用通常熱管理是一個常見問題,選擇低Df和光滑銅箔的層壓板更具優勢。另外,選擇具有高導熱率的層壓板通常也是一件明智的事情。高導熱率將有助于且有效地將熱量從電路中轉移到散熱器中。

頻率—熱量關系表明假設在兩個頻率上具有相同的RF功率,當頻率增加時會產生更多的熱量。以羅杰斯進行的一些熱管理實驗為例,發現在3.6 GHz頻率下加載80w射頻功率的微帶傳輸線的熱量上升約為50°C。而同一電路在6.1 GHz頻率下施加80w功率進行測試時,熱量上升約為80°C。

溫度隨著頻率增加而升高的原因有很多。原因之一是材料的Df會隨著頻率的增加而增加,這將導致更多的介質損耗,并最終導致插入損耗和熱量的增加。另一個問題是導體損耗隨頻率的增加而增加。導體損耗的增加幾乎是由于趨膚深度隨頻率增加而變小導致。另外,隨著頻率的增加,電場將更加稠密,在電路的給定區域中將有更大的功率密度,這也將增加熱量。

最后,材料的TCDk在本文章中已多次提及,它是Dk隨溫度變化而變化的材料的固有屬性,是一種經常被忽略的材料特性。對于功率放大器電路,設計中都有1/4波長線用于匹配網絡,而這些網絡對Dk波動非常敏感。當Dk發生較大變化時,1/4波長匹配將發生偏移,導致功率放大器的效率會發生變化,這是非常不希望的。

總之,在為高功率RF應用選擇高頻材料時,該材料應具有低Df,相對光滑的銅箔,高導熱率和低TCDk。在考慮這些材料特性以及最終用途的要求時,需要進行很多權衡。因此,在為高功率RF應用選擇材料時,設計人員與他們的材料供應商聯系總是明智的。

該文章英文版首次發表于“PCB007英文雜志”。

主題閱讀:羅杰斯  高頻材料
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