哪种板材最适合于微波频段或毫米波频段功率放大器的应用

李倩 发表于 2018-04-02 11:39:58 收藏 已收藏
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哪种板材最适合于微波频段或毫米波频段功率放大器的应用

李倩 发表于 2018-04-02 11:39:58

5G技术的应用会使用到若干不同的频段,各国5G的频段分配也有不同方案。其中,有频率相对较低的频段(300 MHz到30 GHz),也有频率相对较高的频段,同时还包含了毫米波频段(30到300 GHz)。根据以往的设计经验,工作于较低频段的PA(功率放大器)与工作相对较高的频率下PA设计差异不会很大。但是基于5G技术的无线通信网络与传统的蜂窝网络系统存在极大的差别,工程师在设计适用于5G技术的功率放大器时,不得不同时处理射频微波和毫米波方面的问题。

设计射频微波电路与设计毫米波电路需要考虑的因素可能存在极大的差别。而且,微波电路所需的高频线路板材也与毫米波应用所需的板材有很大的不同。本文将会指出哪种板材最适合于微波频段或毫米波频段功率放大器的应用。

一般来说,大多数5G系统应用的工作频率不会高于6GHz。而且,这些低频段下的系统的功率水平也高于毫米波频段下的功率。射频微波5G功率放大器的性能取决于线路板材的许多关键特性,包括良好的热管理,低插入损耗以及射频性能在宽温度范围内的一致性;还包括良好可控的介电常数(Dk或εr)、高导热系数、低TCDk(Dk热系数)、低损耗因子和严格控制的介质厚度等。

让我们来看看材料的每种特性,以及为什么它们对射频微波功率放大器的特性至关重要。许多5G射频微波功放会使用Doherty结构,这种结构的电路需要设计四分之一波长线作为阻抗变换。如果与波长相关的PCB材料的变量都得到良好控制,那么四分之一波长线电路的性能就能按照预期实现。与此相关的变量包括材料Dk与介质厚度。PCB加工制造过程中的可变因素也会影响四分之一波长线电路的性能,例如导线精度、导体厚度。

通常情况下,Dk公差为± 0.05的高频线路板材即可认为性能较好,可以用于此类应用的材料。此外,材料的基板介质厚度应控制在±10%或更小。

另一个射频微波功放的设计要点是阻抗匹配网络,其目的就是使外部阻抗匹配到功放管输入或输出。阻抗控制与波长受相同的变量影响。然而这些变量影响二者的情况却不相同。许多工程师认为Dk的变化是使阻抗产生变化的主要影响因素。然而事实通常不是这样。利用任何一个阻抗计算软件就可以进行一个很简单的计算,来看看影响阻抗变化的不同变量的影响等级。表1中展示了相关结果。

表1中的数据基于微带线电路,同时使用了厚度为20mil、标称Dk为3.50、Dk公差为± 0.05的高频线路板材。第一行信息作为基准或参考数据,此行中显示了获得的阻抗值是50.07欧姆。表1中其它行则展示了改变其中一个变量对阻抗产生的影响。可以看到,引起阻抗变化中最重要的影响因素是介质厚度。在此之后,是导体宽度和铜箔厚度的控制对阻抗值变化,而最后,Dk对阻抗值的变化影响最小。

设计射频微波功放时还需要考虑的问题是热管理。材料导热系数(或称热导率)就是一个可以帮助减少这个问题的材料属性。大多数高频线路板材的导热系数都较低,典型值通常在0.2 W/m∙K到0.3 W/m∙K。而认为PCB材料拥有较好导热系数的值应为0.5 W/m/k或更高。较高的导热系数可使热量从功放管道高频电路材料获得更好的热量流动,从而使电路可以更有效地散热。

导热问题出现的同时,许多射频微波功放要求应用在较宽的温度范围内且能保持正常的工作。线路板材介电常数温度系数(TCDk),就是这样一个材料的属性,它描述了温度的变化会对Dk值造成的变化影响。前面提到,Dk的变化与对电路阻抗的变化并不是最大的影响,然而Dk的变化会对波长造成影响,这必定会使Doherty功率放大器中经常使用的四分之一波长线性能出现问题。依据经验,较好的TCDk值应为|50| ppm/°C或更低,理想的TCDk值应为0 ppm/°C,或者说是Dk值不随温度改变。图1的图表给出了几种不同类型的材料的TCDk特性。

图1:不同类型线路板材的TCDk曲线

可以看到,暗紫色曲线表示的聚四氟乙烯/陶瓷/玻璃布材料在室温附近的Dk变化非常大,这对聚四氟乙烯来说是正常的。如果聚四氟乙烯基材配制合适,则可以使受室温影响造成的Dk变化最小化甚至消除,这就是深蓝色曲线代表的情况。该曲线代表陶瓷填充的PTFE材料,比如Rogers公司的RO3003™层压板,其TCDk值仅为-3 ppm/°C。黄色曲线代表的非聚四氟乙烯的热固材料,它同样具有较好的TCDk特性,大约为50 ppm/°C,此曲线显示的就是罗杰斯RO4350B™ (或 RO4835™)板材的变化情况。

棕色曲线显示的是FR-4的数据,并作为参考显示在图表中。FR-4不是较好TCDk特性的材料配方,但它可以作为一个反例来看TCDk特性特别差的材料的例子。理想的TCDk是在y轴上应该是以1.00为中心的平坦曲线.

最后,材料的耗散因子(Df or Tanδ)也影响许多不同电路特性和电路的散热性能。基本上,低Df的线路板材的电路将会具有较低的插入损耗,而较低的损耗电路产生的热量就更少。对于在6GHz以下频段使用的射频微波功放,所使用的板材的Df在0.005以下时就可基本满足相关要求了。

表2对射频微波功放的关键材料性能进行了小结,其中列出了不同的线路板材以及其与功放性能相关的参数,特别是减少热量的产生方面。

5G毫米波的应用所需要考虑的材料方面的问题与射频微波频段下的类似;然而在更高的频率下,还有很多其它问题需要考虑。尤其是在毫米波频段下插入损耗会变高,而且在较高的频率下,随着波长的减小,Dk和TCDk的控制就显得尤为重要。

对于毫米波功率放大器射频部分的PCB来说,通常选用具有极低损耗的、较薄的高频板材。在毫米波频率下,较薄的介质厚度有助于避免杂散模式和谐振的产生。一般来说,10mil厚的介质材料可用于30到60GHz的应用条件,而在频率超过60GHz的条件下则可使用5mil厚的材料。当然,上面只是经验总结,但也有例外。

毫米波实际应用中最常用到的射频结构是微带线与接地共面波导(GCPW)。当使用微带线并且存在阻抗转换时,例如从RF连接器到电路的信号转换,此时GCPW就通常用于这些转换区域,而电路的其余部分则是微带线。微带线存在着些许缺点,例如其比GCPW更容易产生辐射损耗,且具有色散性。此外,能有效抑制杂散模式的微带线的设计方法也很少。如果在毫米波频率下适当设计GCPW结构则可以极大地减少甚至消除辐射损耗与色散效应。相比较,GCPW的缺点则是其射频性能更容易受到PCB制造中的相关因素变化的影响[1],这可能导致即使是相同的GCPW设计但可能出现较大的不同电路之间的性能变化。

由于在毫米波频段下需要使用薄的介质材料,减小插损就要比射频/微波频段下要复杂一些。对于射频/微波频段下的应用,其信号波长较大,线路板材通常较厚,与导体有关的插入损耗的分量----导体损耗就小得多。而对于毫米波频段,导体损耗,特别是铜箔表面粗糙度,就将是影响插入损耗大小的重要因素。

例如,对于一较薄的微带电路,所谓要考虑的铜箔表面粗糙度指的是基板-铜箔界面的粗糙度。当趋肤深度比铜箔的粗糙度深度更小时,铜箔表面粗糙度就会对导体损耗产生显著影响。[2]图2显示了使用在毫米波应用中,常用材料的微带线电路在不同的铜箔表面粗糙度的插入损耗差异。

图2:微带线电路的插入损耗比较,使用了相同的介质材料,两种不同铜箔表面粗糙度。

此外,较为粗糙的铜箔表面会导致相速度降低,这将使电路的性质看起来就像它是在较高Dk的材料上一样。下面利用相同的介质材料,不同类型的铜箔来通过一个简单的实验证明了这一观点。不同铜箔类型,其铜箔表面粗糙度会有显著差异。每种铜箔的表面粗糙度都是在制作成层压板之前用非接触式铜箔粗糙度测试仪经过测量的。层压板制作完成后,在层压板上制作50Ω微带传输线电路。之后对电路进行相位响应测试,并绘制出它们的有效Dk与频率的关系曲线,如图3所示。

在图3中可以看出,使用表面最平滑的铜箔(其有0.5μm RMS的平均表面粗糙度,红色曲线)的层压板的电路,其具有最低的有效介电常数。图中的趋势非常明显:表面粗糙度增加,有效Dk值随之增加。基本上,粗糙的铜箔会导致相速度变慢,而变慢的波的传播被视为具有较高的介电常数。从图中可以看到,最光滑的铜箔的电路与最粗糙的铜箔的电路之间的有效Dk相差约为0.3。当考虑到所有电路使用了相同的介质,这对于有效Dk而言是非常大的差值,而正是铜箔表面粗糙度的差异导致了这一较大的有效Dk差异。

如图2所示,对由于铜箔表面粗糙程度的不同导致电路介电常数的差异还进行了类似的测试,同时也是通过测试相位响应的方法。利用微带线相位响应工具和MWI-2018工具软件,可以得出Dk与频率的关系图,如图4所示。工具软件可以在罗杰斯公司的技术支持中心免费下载。(文末点击“阅读原文”可直接跳转)

图4:微带线电路Dk与频率关系图,测试使用相同介质,不同的类型和不同的表面粗糙度的铜箔。

图4中所得到的Dk就是电路所呈现的Dk或设计Dk。图中所使用的高频线路材料介质的固有Dk是3.0。当电路用表面粗糙的铜箔叠合时,其波的传播速率将减慢,Dk增加。使用ED铜的电路就是这种情况。而当电路使用表面极其光滑的压延铜时,相速度并没有明显的降低,因此,此时Dk值相对较低并接近于介质的固有Dk值。理论上,如果铜箔是完全光滑的,则Dk曲线将接近3.0,等于介质材料的Dk值。

导体对薄电路的影响要比较厚的电路大得多。若使用较厚的介质材料进行与图4相同的实验,得到的数据曲线会与原始图4中的数据有一定差别,此时粗糙度不同的铜箔得到的Dk测试结果的差距将减小。当电路使用20mil厚度的材料时,使用表面光滑的压延铜在20GHz下的Dk值大约为3.005,十分接近于值为3.0的材料的固有Dk;而使用表面粗糙的ED铜在20GHz下的Dk值大约为3.060,两者之间的差异只有约0.055 。因此对于较厚的材料,Dk值之间的差异较小,因为较厚的介质材料不会像如图4所示的较薄的电路那样,受到较大的导体(即铜箔表面粗糙度)的影响。

由于较薄的电路对导体即铜箔粗糙度更敏感,因此考虑铜表面粗糙度的影响不仅要看电路整个插入损耗,而且还要考虑设计Dk。此外,电路相位响应和设计Dk的一致性同样也取决于铜箔表面粗糙度。用于制造高频层压板的铜箔的表面粗糙度都存在着正常变化。铜箔表面粗糙度的变化包括随批次间和随板内表面粗糙度变化。然而,铜箔越光滑,铜箔表面粗糙度的这种变化就越小。且由于铜箔表面粗糙度会影响设计Dk与相位响应,因此表面光滑且粗糙度变化小的铜箔在进行相同电路不同批次评估时,电路性能会更加一致。

无线通信的世界正在迅速发展到第五代移动通信(5G)技术,需要广泛使用频率更高的毫米波频段。这些无线网络中需要用到功率放大器以及适用于这些功率放大器的线路板材料,但是为毫米波频段下的电路选择最佳板材要比为射频/微波频段下的选择板材要多考虑更多的问题。总之,射频/微波功率放大器所使用材料的关键特性包括插入损耗、Dk的一致性、介质厚度的一致性、导热系数和TCDk等。这些相同的材料属性同样适合于毫米波功率放大器,只是材料将更薄,更易受铜箔表面粗糙度的影响。

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