詳解微波射頻器件極限功率損耗與分散

每個(gè)器件都有一個(gè)最大的功率極限，不管是有源器件（如放大器），還是無(wú)源器件（如電纜或?yàn)V波器）。理解功率在這些器件中如何流動(dòng)有助于在設(shè)計(jì)電路與系統(tǒng)時(shí)處理更高的功率電平。

它能處理多大的功率這是對(duì)發(fā)射機(jī)中的大多數(shù)器件不可避免要問的一個(gè)問題，而且通常問的是無(wú)源器件，比如濾波器、耦合器和天線。但隨著微波真空管（如行波管 （TWT））和核心有源器件（如硅橫向擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體（LDMOS）晶體管和氮化鎵（GaN）場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET））的功率電平的日益增加，當(dāng)安 裝在精心設(shè)計(jì)的放大器電路中時(shí)，它們也將受到連接器等器件甚至印刷電路板（PCB）材料的功率處理能力的限制。了解組成大功率器件或系統(tǒng)的不同部件的限制 有助于回答這個(gè)長(zhǎng)久以來(lái)的問題。

發(fā)射機(jī)要求功率在限制范圍內(nèi)。一般來(lái)說，這些限制范圍由政府機(jī)構(gòu)規(guī)定，例如美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）制 定的通信標(biāo)準(zhǔn)。但在“不受管制”系統(tǒng)中，比如雷達(dá)和電子戰(zhàn)（EW）平臺(tái)中，限制主要來(lái)自于系統(tǒng)中的電子器件。每個(gè)器件都有一個(gè)最大的功率極限，不管是有源 器件（如放大器），還是無(wú)源器件（如電纜或?yàn)V波器）。理解功率在這些器件中如何流動(dòng)有助于在設(shè)計(jì)電路與系統(tǒng)時(shí)處理更高的功率電平。

當(dāng)電流流過電路時(shí)，部分電能將被轉(zhuǎn)換成熱能。處理足夠大電流的電路將發(fā)熱——特別是在電阻高的地方，如分立電阻。對(duì)電路或系統(tǒng)設(shè)定功率極限的基本思路是利用低工作 溫度防止任何可能損壞電路或系統(tǒng)中器件或材料的溫升，例如印刷電路板中使用的介電材料。電流/熱量流經(jīng)電路時(shí)發(fā)生中斷（例如松散的或虛焊連接器），也可能 導(dǎo)致熱量的不連續(xù)性或熱點(diǎn)，進(jìn)而引起損壞或可靠性問題。溫度效應(yīng)，包括不同材料間熱膨脹系數(shù)（CTE）的不同，也可能導(dǎo)致高頻電路和系統(tǒng)中發(fā)生可靠性問 題。

熱量總是從更高溫度的區(qū)域流向較低溫度的區(qū)域，這個(gè)原則可以用來(lái)將大功率電路產(chǎn)生的熱量傳離發(fā)熱源，如晶體管或TWT。當(dāng)然，從熱源開 始的散熱路徑應(yīng)該包括由能夠疏通或耗散熱量的材料組成的目的地，比如金屬接地層或散熱器。不管怎樣，任何電路或系統(tǒng)的熱管理只有在設(shè)計(jì)周期一開始就考慮才 能最佳地實(shí)現(xiàn)。

一般用熱導(dǎo)率來(lái)比較用于管理射頻/微波電路熱量的材料性能，這個(gè)指標(biāo)用每米材料每一度（以開爾文為單位）施加的功率（W /mK）來(lái)衡量。也許對(duì)任何高頻電路來(lái)說這些材料最重要的一個(gè)因素是PCB疊層，這些疊層一般具有較低的熱導(dǎo)率。比如低成本高頻電路中經(jīng)常使用的FR4疊 層材料，它們的典型熱導(dǎo)率只有0.25W/mK。

相反，銅（沉積在FR4上，作為地高平面或電路走線）具有355W/mK的熱導(dǎo)率。銅具有很大的熱流動(dòng)容量，而FR4具有幾乎可以忽略的熱導(dǎo)率。為防止在銅傳輸線上產(chǎn)生熱點(diǎn)，必須為從傳輸線到地平面、散熱器或其它一些高熱導(dǎo)率區(qū)域提供高熱導(dǎo)率 路徑。更薄的PCB材料允許到地平面的路徑更短，因?yàn)榭梢允褂秒婂冞^孔（PTH）從電路走線連接到地平面。

當(dāng)然，PCB的功率處理能力是許 多因素的函數(shù)，包括導(dǎo)體寬度、地平面間距和材料的耗散因數(shù)（損耗）。此外，材料的介電常數(shù)將確定在給定理想特征阻抗下的電路尺寸，比如50Ω，因此具有更 高介電常數(shù)值的材料允許電路設(shè)計(jì)師減小其射頻/微波電路的尺寸。也就是說，這些更短的金屬走線意味著需要具有更高熱導(dǎo)率的PCB介電材料來(lái)實(shí)現(xiàn)正確的熱管理。

在給定的應(yīng)用功率電平下，具有更高熱導(dǎo)率的電路材料的溫升要比更低熱導(dǎo)率材料低。遺憾的是，F(xiàn)R4與許多具有低熱導(dǎo)率的其它PCB材料沒有什么不同。不過，電路的熱處理能力和功率處理能力可以通過規(guī)定采用至少與FR4相比具有更高熱導(dǎo)率的PCB材料加以改進(jìn)。

例如，雖然還沒到銅的熱導(dǎo)率水平，但Rogers公司的幾種PCB材料可以提供比FR4高得多的熱導(dǎo)率。RO4350B材料的熱導(dǎo)率是0.62W/mK，而 該公司的RO4360疊層熱導(dǎo)率可達(dá)0.80W/mK。雖然沒有顯著的提高，但與FR4疊層相比確實(shí)有了兩至三倍的熱/功率能力提 升，可實(shí)現(xiàn)射頻/微波電路所產(chǎn)生熱量的有效耗散。這兩種材料特別適合具有內(nèi)置熱源（晶體管）的放大器應(yīng)用，它們都具有較低的熱膨脹系數(shù)（CTE）值，因此 能最大限度地減少隨溫度發(fā)生的尺寸變化。

許多商用計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）軟件設(shè)計(jì)包能夠在給定的應(yīng)用功率電平和給定的電路參數(shù)設(shè)置條 件下建模經(jīng)過射頻/微波電路的熱量流動(dòng)，包括PCB的熱導(dǎo)率。這些軟件設(shè)計(jì)包包含有許多單獨(dú)的程序，比如Sonnet Software公司的電磁仿真（EM）工具、Fluent公司的IcePak軟件、ANSYS公司的TAS PCB軟件以及Flomerics公司的Flotherm軟件。它們還包含許多設(shè)計(jì)軟件工具套件，如安捷倫科技（Agilent）的高級(jí)設(shè)計(jì)系統(tǒng) （ADS）、Computer Simulation Technology公司（CST）的CST Microwave Studio以及AWR公司的Microwave Office。

這些軟件工具甚至可以用來(lái)研究不同工作環(huán)境對(duì)射頻/微波電路功率處理 能力的影響，比如在飛機(jī)的低大氣壓力或高海拔環(huán)境下足夠高功率電平下可能出現(xiàn)的電弧。這些程序還能通過對(duì)能量流經(jīng)器件（如耦合器或?yàn)V波器）時(shí)的場(chǎng)分布情況 建模，來(lái)提升分立射頻/微波器件的功率處理能力。

當(dāng)然，PCB材料并不是影響射頻/微波電路或系統(tǒng)中熱量流動(dòng)的唯一因素。電纜和連接器 對(duì)高頻系統(tǒng)中功率/熱量的限制也是眾所周知的。在同軸組件中，連接器通常可以比它所連接的電纜處理更多的熱量/功率，而不同連接器具有不同的功率額定值。 例如，N型連接器的功率額定值稍高于具有更小尺寸（和更高頻率范圍）的SMA連接器。電纜和連接器的平均功率和峰值功率都有額定值，峰值功率等于 V2/Z，其中Z是特征阻抗，V是峰值電壓。平均功率額定值的簡(jiǎn)單估算方法是將電纜組件的峰值功率額定值乘以占空比。

Astrolab公司等許多電纜供應(yīng)商開發(fā)了專門的計(jì)算程序來(lái)計(jì)算他們的同軸電纜組件的功率處理能力。而Times Microwave Systems等一些公司則提供免費(fèi)的可下載計(jì)算程序，這些程序可用于預(yù)測(cè)他們自己的不同類型同軸電纜的功率處理能力。

值得注意的是，這是對(duì)復(fù)雜主題的極其簡(jiǎn)單化處理。它還沒有涉及材料擊穿電壓、PCB耗散因數(shù)（損耗因數(shù)）如何影響電路的功率處理能力、對(duì)PCB材料熱膨脹系數(shù)（CTE）性能的影響以及連續(xù)波和脈沖能源之間發(fā)熱效應(yīng)區(qū)別等主題。

在器件、電路和系統(tǒng)內(nèi)，還有許多復(fù)雜的現(xiàn)象可能影響到功率處理能力，包括具有“打開”和“關(guān)閉”狀態(tài)的開關(guān)等可能具有不同射頻/微波功率能力的器件。除了軟 件程序外，可用于熱分析的工具還可以提供基于紅外（IR）技術(shù)的熱成像功能，可以用來(lái)安全地研究器件、電路和系統(tǒng)中的熱量累積。