適合于5G微波/毫米波放大器的高頻PCB材料

適合于5G微波/毫米波放大器的高頻PCB材料 

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      全球范圍數(shù)以萬(wàn)計(jì)的語(yǔ)音連接和難以想象的數(shù)據(jù)文件需求，表明了第五代（5G）無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)的必然性。5G時(shí)代即將到來(lái)，它的應(yīng)用需要為包括功率放大器（PA）在內(nèi)的許多不同類(lèi)型的高頻電路提供合適的電路材料。5G代表了當(dāng)前無(wú)線(xiàn)技術(shù)中的最新和最值得關(guān)注的技術(shù)，它可以在許多不同的頻率上工作，如6GHz及以下頻率，以及毫米波頻率（通常為30GHz及以上）;而且它還需要接收來(lái)自地面****和軌道衛(wèi)星的網(wǎng)絡(luò)接入。

因此從選擇電路板材料開(kāi)始，其設(shè)計(jì)和制造都將會(huì)面臨挑戰(zhàn)，但是，通過(guò)對(duì)機(jī)械和電氣性能要求的仔細(xì)考量，仍可以選擇相應(yīng)的高頻電路材料，無(wú)論工作頻率高低，都能使5G功率放大器的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)成為可能。 理想情況下，都希望找到某一種高頻pcb電路材料可以適用于所有頻率的功率放大器應(yīng)用。然而，不同頻率的放大器具有不同的設(shè)計(jì)要求，并且放大器需要選用具有不同特性的電路材料，從而適應(yīng)不同的頻率。例如，插入損耗或損耗因子可能或多或少地取決于電路材料的類(lèi)型。每種電路材料都會(huì)有一定程度的損耗，而損耗通常會(huì)隨著頻率的增加而增加。

在5G使用的低頻微波頻段，某一給定的電路材料的損耗性能可能是可以接受的，因?yàn)槠湓鲆孑^高；但在毫米波頻率范圍內(nèi)就變得不可接受，這是因?yàn)楹撩撞l段下輸出功率將顯著變小，過(guò)高的損耗會(huì)導(dǎo)致信號(hào)功率電平較弱而無(wú)法接受。能在微波頻率下用于高功率和PA增益值低損耗電路材料并不是毫米波頻率下PA的最佳材料選擇。 

對(duì)介電常數(shù)（Dk）這一關(guān)鍵電路材料參數(shù)的設(shè)計(jì)需求，在6GHz及以下的5G微波頻率上，與用于5G網(wǎng)絡(luò)的短距離回傳中的毫米波頻率上截然不同。為每個(gè)頻段尋找最佳電路材料時(shí)，就需要了解哪個(gè)Dk值最適合于這兩個(gè)不同頻率范圍。然后找到具有這些Dk值的電路材料，并兼顧材料的其他材料屬性，從而設(shè)計(jì)并制造出優(yōu)異、高性能、高頻率的功率放大器。 無(wú)論是用于微波頻率還是毫米波頻率，用于功率放大器的電路材料都必須能夠支持功放管實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。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，甚至是低噪聲放大器（LNA））也是必需的。適合于完成阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的電路材料應(yīng)能夠使電路的阻抗變化保持為最小，這通常需要材料具有非常嚴(yán)格厚度控制（厚度沒(méi)有變化）；非常嚴(yán)格的導(dǎo)體寬度控制，如微帶傳輸線(xiàn)，以保持相同的阻抗；還需要嚴(yán)格控制電路材料的銅箔厚度；以及嚴(yán)格控制電路材料的Dk值，尤其是其在不同溫度環(huán)境下的Dk。

盡管具有嚴(yán)格控制的Dk值的電路材料可以幫助將高頻傳輸線(xiàn)的阻抗變化保持在狹窄范圍內(nèi)容（例如3.50±0.05，±0.05或更低的Dk值公差的電路材料通常被認(rèn)為是具有嚴(yán)格控制Dk值的材料），這也的確是功率放大器電路的阻抗匹配所需要的，但材料厚度的變化對(duì)阻抗匹配中阻抗的一致性則將產(chǎn)生更大的影響。 

隨著頻率的增加，信號(hào)波長(zhǎng)隨之減小，電路也隨之更小。許多用于微波和毫米波頻率的功率放大器電路設(shè)計(jì)，例如Doherty放大器，都依靠四分之一波長(zhǎng)的傳輸線(xiàn)電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行阻抗變換。這一結(jié)構(gòu)的尺寸就是一個(gè)關(guān)于電路厚度的函數(shù)。如果電路材料的厚度沒(méi)有被嚴(yán)格控制，那么就很容易看到傳輸線(xiàn)和電路結(jié)構(gòu)的阻抗是隨著材料厚度的變化而變化。通常，±10％或更小的厚度變化范圍是被認(rèn)為進(jìn)行了材料厚度嚴(yán)格控制的。  

PCB熱管理 

無(wú)論是在微波頻率還是在毫米波頻率下，PA電路的性能都會(huì)因受溫度變化的影響而產(chǎn)生變化，這個(gè)變化既來(lái)自于環(huán)境溫度，也來(lái)自于PA自身的有源器件所產(chǎn)生的熱量（如功率晶體管或IC）。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)，尋找能夠進(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)槠渥陨碛性雌骷?huì)產(chǎn)生大量熱量而使溫度上升。 評(píng)估材料的熱性能時(shí)，有兩種電路材料參數(shù)特別有用：分別是導(dǎo)熱系數(shù)和介電常數(shù)熱穩(wěn)定系數(shù)（TCDk）。  

高導(dǎo)熱性能材料可以有效地將熱量從在PCB上的任何發(fā)熱有源器件（例如PA的功率晶體管）中通過(guò)熱流帶走。 持續(xù)的熱流不僅能消除熱量對(duì)晶體管可靠性產(chǎn)生的影響，而且有助于最大限度地降低熱引起的PA的性能變化。0.5 W / m·K或更高的導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)于PCB材料來(lái)說(shuō)可認(rèn)為是性能優(yōu)良的材料。  

TCDk是電路材料的基本屬性，用于表征該材料的Dk值如何受溫度變化的影響。理想情況下，材料的TCDk為0 ppm /oC，Dk值不受溫度的變化而變化。 但實(shí)際的電路材料在溫度變化下，DK值會(huì)出現(xiàn)一些改變。一般而言，TCDk小于| 50 | ppm /oC時(shí)被認(rèn)為是性能很好的材料，此時(shí)Dk隨溫度的變化很小。

在5G系統(tǒng)中，對(duì)于需要用到較為準(zhǔn)確的四分之一波長(zhǎng)線(xiàn)的放大器和其他電路來(lái)說(shuō)，低的TCDk值的電路材料將有助于最大限度地降低電路的性能差異。 與低頻功率放大器和電路相比，毫米波功率放大器及電路的信號(hào)波長(zhǎng)更短，電路通常需要更薄的PCB材料，并且其厚度仍需要保持嚴(yán)格的公差。對(duì)于電路材料相關(guān)的其他特性帶來(lái)的影響，如銅表面粗糙度，較薄的電路材料甚至比較厚的電路材料更敏感。銅表面粗糙度會(huì)導(dǎo)致電路傳輸線(xiàn)損耗和相位變化等，因此在5G微波和毫米波功率放大器中的小波長(zhǎng)、高頻率電路應(yīng)用來(lái)說(shuō)，選定的材料的銅箔表面粗糙度都應(yīng)該盡可能小。 

為了提供5G放大器所需特性的電路材料，這里列舉了來(lái)自羅杰斯公司的兩種不同厚度和特性的材料作為不同頻率范圍應(yīng)用示例。例如，對(duì)于6GHz及以下頻率的5G 功率放大器，厚度為20mil和30mil的陶瓷填充的電路材料，RO4385?是較好的選擇。它是低成本、高性?xún)r(jià)比的電路材料，能在較寬溫度范圍內(nèi)保持一致的性能。 它們?cè)?0GHz時(shí)的z軸(厚度方向)介電常數(shù)Dk是3.48，公差嚴(yán)格控制在±0.05內(nèi)。并且可使用標(biāo)準(zhǔn)環(huán)氧樹(shù)脂/玻璃（FR-4）工藝進(jìn)行加工制造，非常適用于低頻段5G功放的應(yīng)用中。  

對(duì)于毫米波頻率下的5G功率放大器，厚度為5mil和10mil的RO3003?層壓板就是非常合適的選擇。RO3003?材料是由陶瓷所填充的PTFE(聚四氟乙烯)材料。它在10 GHz時(shí)的Z軸(厚度方向)的介電常數(shù)是3.0，公差在±0.04以?xún)?nèi)。它具有極低的損耗特性，有助于毫米波頻段功率放大器電路中獲得最大的增益，也非常適用于未來(lái)5G無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)回傳的各種毫米波頻段應(yīng)用。 

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