为射频高功率应用选择PCB材料

2020-06-29 来源:微波射频网作者:罗杰斯-John Coonrod 我要评论(0) 字号:

尽管也有一些高功率的PCB应用与基站无关,但大部分高功率的PCB应用都与基站的功率放大器相关。在设计此类高功率RF应用时,需要做多个方面的考虑。本篇文章集中讨论的是基于PCB的基站功率放大器的应用,但此处讨论的基本概念也适用于其他高功率应用中。

大多数高功率RF应用都存在热管理问题,做好热量管理需要考虑一些基本的关系。例如与损耗的关系,当电路中输入信号功率后,损耗越高的电路会产生更高的热量;另一个是与频率相关,频率越高将产生更多的热量。另外,任何介质材料中热量的增加会引起介电材料Dk(介电常数)的变化,即介电常数温度系数(TCDk)。随着损耗的变化导致电路温度的变化,温度的变化导致Dk的变化。这种由TCDk引起的Dk变化会影响RF电路的性能,并且可能会对系统应用造成影响。

对于热损耗关系,可以考虑多种不同材料以及对应的PCB特性。有时,当设计人员为PCB应用选择低损耗材料时,他们可能只考虑了耗散因子(Df或损耗角正切)。Df仅仅是材料的介质损耗,但是,电路还会有其它损耗。与射频性能相关的电路总损耗是插入损耗,插入损耗由四个损耗组成,是介质损耗、导体损耗、辐射损耗和泄漏损耗的总和。

使用Df为0.002的极低损耗材料和非常光滑铜箔的电路将具有相对较低的插入损耗。然而,如果仍使用相同的低损耗材料的相同电路,但使用粗糙度大的电解铜(ED)代替光滑铜就会导致插入损耗显著增加。

铜箔表面粗糙度将影响电路的导体损耗。需要明确的是,与损耗有关的表面粗糙度是在加工层压板时铜—介质界面处的铜箔表面粗糙度。另外,如果电路使用的介质较薄,铜箔面就会更靠近,此时铜箔表面粗糙度对插入损耗将比相对厚的介质产生更大的影响。

对于大功率RF应用通常热管理是一个常见问题,选择低Df和光滑铜箔的层压板更具优势。另外,选择具有高导热率的层压板通常也是一件明智的事情。高导热率将有助于且有效地将热量从电路中转移到散热器中。

频率—热量关系表明假设在两个频率上具有相同的RF功率,当频率增加时会产生更多的热量。以罗杰斯进行的一些热管理实验为例,发现在3.6 GHz频率下加载80w射频功率的微带传输线的热量上升约为50°C。而同一电路在6.1 GHz频率下施加80w功率进行测试时,热量上升约为80°C。

温度随着频率增加而升高的原因有很多。原因之一是材料的Df会随着频率的增加而增加,这将导致更多的介质损耗,并最终导致插入损耗和热量的增加。另一个问题是导体损耗随频率的增加而增加。导体损耗的增加几乎是由于趋肤深度随频率增加而变小导致。另外,随着频率的增加,电场将更加稠密,在电路的给定区域中将有更大的功率密度,这也将增加热量。

最后,材料的TCDk在本文章中已多次提及,它是Dk随温度变化而变化的材料的固有属性,是一种经常被忽略的材料特性。对于功率放大器电路,设计中都有1/4波长线用于匹配网络,而这些网络对Dk波动非常敏感。当Dk发生较大变化时,1/4波长匹配将发生偏移,导致功率放大器的效率会发生变化,这是非常不希望的。

总之,在为高功率RF应用选择高频材料时,该材料应具有低Df,相对光滑的铜箔,高导热率和低TCDk。在考虑这些材料特性以及最终用途的要求时,需要进行很多权衡。因此,在为高功率RF应用选择材料时,设计人员与他们的材料供应商联系总是明智的。

该文章英文版首次发表于“PCB007英文杂志”。

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