微波放大器/毫米波放大器如何選擇PCB材料

5G代表了無線技術(shù)中最新最偉大的技術(shù)，設(shè)計(jì)和制造都將面臨挑戰(zhàn)，當(dāng)然電路板材料也面臨挑戰(zhàn)，因?yàn)樗谠S多不同的頻率下運(yùn)行，如6 GHz及以下，以及毫米波頻率（通常為30 GHz及以上）。它還將結(jié)合來自地面****和軌道衛(wèi)星的網(wǎng)絡(luò)接入。但是，通過仔細(xì)考慮機(jī)械和電氣要求，可以指定高頻電路材料，無論頻率如何，都可以實(shí)現(xiàn)5G功率放大器的設(shè)計(jì)和開發(fā)。

      理想情況下，單個(gè)電路材料對(duì)于所有頻率的功率放大器都是一個(gè)恰當(dāng)?shù)钠瘘c(diǎn)。然而，不同頻率的放大器具有不同的設(shè)計(jì)要求，并且得到最適合于不同頻率的具有不同特性的電路材料的最佳支持。例如，根據(jù)電路材料的類型，插入損耗或損耗因子或大或小。每個(gè)電路材料都會(huì)遭受一定量的損耗，損耗通常會(huì)隨著頻率的增加而增加。給定電路材料的損耗性能在5G網(wǎng)絡(luò)中使用的微波頻率內(nèi)可能是可以接受的，但在毫米波頻率范圍內(nèi)是不可接受的，因?yàn)殡S著頻率的增加信號(hào)功率會(huì)趨于降低。在微波頻率下提供高PA增益和輸出功率所需的低損耗電路材料可能不是毫米波頻率下PA的最佳材料選擇。

對(duì)于微波頻率，關(guān)鍵電路材料參數(shù)（介電常數(shù)Dk）的設(shè)計(jì)要求有很大不同，例如用于5G系統(tǒng)的6GHz及以下的微波頻率，以及用于5G無線網(wǎng)絡(luò)的短距離回傳鏈路的30GHz及以上毫米波頻率，其設(shè)計(jì)要求就有很大的不同。為每個(gè)頻段選擇最佳電路材料需要了解何種Dk值能夠最好地支持2個(gè)不同頻率范圍。然后找到具有這些Dk值的電路材料，并使其盡可能多地具備其他電路材料屬性，以制造出優(yōu)質(zhì)、高性能、高頻率的功率放大器。

       無論對(duì)于微波頻率還是毫米波頻率，高頻PA的電路材料必須能夠支持電路實(shí)現(xiàn)與那些PA中功率晶體管阻抗的匹配。這種阻抗匹配對(duì)于低功率放大器中的有源器件，如驅(qū)動(dòng)器放大器，甚至低噪聲放大器（LNA）也是必須的。

      適用于這種阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的電路材料必須能夠?qū)㈦娐纷杩棺兓３衷谧畹头秶?，通常通過嚴(yán)格控制基板厚度來實(shí)現(xiàn)，即基板厚度沒有變化差異；嚴(yán)格控制導(dǎo)體（如微帶傳輸線）的 寬度，以保持相同的阻抗；嚴(yán)格控制電路層壓板上的銅厚度；并嚴(yán)格控制電路材料的Dk，尤其是溫度變化時(shí)的Dk，來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。盡管使用嚴(yán)格控制Dk的電路材料（例如3.50±0.05）可以幫助將高頻傳輸線的阻抗范圍維持在較小的范圍內(nèi)，而這可能正是PA電路內(nèi)的阻抗匹配所需要的，但是，基板厚度的變化可能對(duì)維持高頻傳輸線的阻抗一致影響更大。Dk公差為±0.05或更低的電路材料被認(rèn)為是控制嚴(yán)格的Dk值。

       隨著頻率的增加，信號(hào)波長會(huì)不斷減少，需要越來越小的電路特征。許多用于微波和毫米波頻率的PA電路結(jié)構(gòu)，例如Doherty放大器，都依賴于四分之一波長傳輸線電路結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)的尺寸是基板厚度的函數(shù)。如果沒有嚴(yán)格控制電路基板厚度，很容易就可以理解極細(xì)傳輸線和電路結(jié)構(gòu)的阻抗是如何隨著基板厚度的變化而變化的。通常，±10%或更小的基板厚度變化是嚴(yán)格控制電路材料厚度的標(biāo)志。

感受熱

      無論是在微波頻率還是在毫米波頻段下，無論溫度變化是由來自運(yùn)行環(huán)境還是由PA自身的有源器件，如功率晶體管或IC造成的，PA電路都容易受到溫度變化帶來的性能變化的影響。在尋找適用于5G應(yīng)用的微波和毫米波功率放大器的電路材料時(shí)，找到能夠進(jìn)行有效熱管理的電路材料，對(duì)于降低功率放大器的性能變化至關(guān)重要，因?yàn)槠渥陨淼挠性雌骷?huì)導(dǎo)致熱量增加。評(píng)估材料的熱性能時(shí)，2種電路材料參數(shù)特別有用——熱導(dǎo)率和介電常數(shù)溫度系數(shù)（TCDk）。

      高熱導(dǎo)率可以有效地將熱量從安裝在PCB上的任何發(fā)熱有源器件（例如PA的功率晶體管）帶走。持續(xù)的熱流動(dòng)不僅能消除對(duì)晶體管的可靠性構(gòu)成威脅的熱量，而且有助于最大限度地減少熱量導(dǎo)致的PA性能變化。人們認(rèn)為0.5 W / mK或更高的熱導(dǎo)率有益于PCB材料。

       TCDk是一個(gè)pcb電路材料參數(shù)，用于標(biāo)明該材料的Dk如何受溫度變化的影響。理想情況下，材料的TCDk為0 ppm /℃，即Dk不會(huì)隨溫度的改變而改變。但實(shí)際的電路材料Dk值會(huì)隨著溫度的變化而變化，對(duì)于電路材料而言，我們認(rèn)為50ppm /℃的TCDk是很好的，Dk隨溫度的變化很小。對(duì)于5G系統(tǒng)中的放大器和其他電路依賴于四分之一波長的精細(xì)電路結(jié)構(gòu)，這時(shí)候具有低TCDk值的電路材料將有助于最大限度地降低性能變化。

       與低頻微波功率放大器和電路相比，毫米波功率放大器和電路所需的更短波長和更小的電路特征通常需要更薄的基板材料，并且需要保持嚴(yán)格的厚度公差，與較厚的材料相比，這些要求同樣重要。那些較薄的電路材料也可能比較厚的電路材料對(duì)其他電路材料特性（如銅表面粗糙度）的影響更敏感。銅表面粗糙度會(huì)導(dǎo)致傳輸線損耗和相位變化等電路效應(yīng)，因此在5G微波和毫米波功率放大器中，對(duì)于波長較短、頻率較高的電路指定的任何電路材料，銅表面粗糙度應(yīng)盡可能小。

      例如，Rogers提供了兩種不同頻率范圍所需的厚度和其他特性都不同的各種材料。對(duì)于6 GHz及以下的5G 功率放大器，厚度為20密耳和30密耳的陶瓷基RO4385電路層壓板是一種低成本電路材料，可在很大溫度范圍內(nèi)性能保持一致。在10GHz下Z軸Dk為3.48，公差嚴(yán)格控制在±0.05內(nèi)。它們非常適合具有競爭性的應(yīng)用，并且可以使用標(biāo)準(zhǔn)環(huán)氧樹脂/玻璃（FR-4）工藝制造。