功分器和耦合器如何選擇高頻PCB材料

                           功分器和耦合器如何選擇高頻PCB材料

       功分器和合路器是最常用/最常見的高頻器件，對于耦合器例如定向耦合器來說也是如此。這些器件用于功分、合路、耦合來自天線或系統(tǒng)內(nèi)部的高頻能量，且損耗和泄露很小。高頻PCB板材的選擇對于這些器件實(shí)現(xiàn)所預(yù)想的性能來講是一個關(guān)鍵因素。當(dāng)設(shè)計和加工功分器/合路器/耦合器時，理解PCB材料的性能如何影響這些器件最終的性能是很有幫助的，例如：能夠幫助對選定板材的一系列不同性能指標(biāo)做出限制，包括頻率范圍，工作帶寬，功率容量。

        許多各種不同的電路用于設(shè)計功分器（反過來用即是合路器）和耦合器，它們具有各種不同的形式。功分器有簡單的雙路功分以及復(fù)雜的N路功分，視系統(tǒng)實(shí)際的需要而定。很多不同的定向耦合器以及其他類型的耦合器近些年來也有很****展，包括威爾金森和阻性功分器以及蘭格耦合器和正交混合節(jié)電橋，它們有很多不同的形式和尺寸。在這些電路設(shè)計中選擇合適的PCB材料有助于其達(dá)到最佳的性能。

        這些不同的電路類型都會折衷考慮設(shè)計的結(jié)構(gòu)和性能，幫助設(shè)計者針對不同的應(yīng)用選擇板材。威爾金森雙路功分器，是通過單一的輸入信號來提供雙路相等幅度和相位的輸出信號，實(shí)際上是一個“無耗”電路，設(shè)計使得其提供一對比原信號小3dB（或者說是原信號一半）的輸出信號（功分器每個端口的輸出功率是隨著輸出端口數(shù)的增加而減?。Ｏ啾葋碚f，阻性的雙路功分器則提供一對比原信號小6dB的輸出信號。阻性功分器中在每條支路增加的阻抗增加了損耗，但也增加了兩路信號之間的隔離。

        和許多電路設(shè)計一樣，介電常數(shù)（Dk）一般都是選擇不同高頻PCB材料的起點(diǎn)，并且功分器/功率合成器的設(shè)計者一般都傾向于采用高介電常數(shù)（Dk）的電路材料，因?yàn)檫@些材料相比于低介電常數(shù)材料來說可以在更小尺寸的電路上提供有效的電磁耦合。高介電常數(shù)的電路存在一個問題，即電路板中的介電常數(shù)存在各向異性或者說在x，y，z方向上電路板材的介電常數(shù)值均不同。在同一方向上的介電常數(shù)變化很大時，同樣很難得到阻抗均一的傳輸線。

       保持阻抗不變性在實(shí)現(xiàn)功分器/合路器特性時十分重要，介電常數(shù)（阻抗）的變化會導(dǎo)致電磁能量和功率分配的不均勻。幸運(yùn)的是，存在具有優(yōu)越各向同性的商業(yè)PCB材料可以用于這些電路中，如TMM 10i電路材料。這些材料具有相對高的介電常數(shù)值9.8，并且在三個坐標(biāo)軸方向上保持在9.8+/-0.245的水平上（在10GHz下測量）。這也可以理解成，功分器/合路器和耦合器的傳輸線中，均一的阻抗特性可以使得器件中電磁能量的分配恒定并且可測。對于更高介電常數(shù)的PCB材料，TMM 13i層壓板具有12.85的介電常數(shù)并且在三個軸的變化在+/-0.35以內(nèi)（10GHz）。

       當(dāng)然，在設(shè)計功分器/功率合成器以及耦合器時，恒定的介電常數(shù)以及阻抗特性只是高頻PCB材料參數(shù)的其中之一需要考慮的。當(dāng)設(shè)計功分器/合路器或耦合器電路時，最小化插入損耗通常是一個重要的目標(biāo)，理想情況下，一個雙路的威爾金森功分器可以提供給兩個輸出端口-3dB或一半的輸入電磁能量。實(shí)際上，每個功分器/合路器（和耦合器）電路都會有一定的插入損耗，通常依賴于頻率（當(dāng)頻率升高損耗也升高），所以對于一個功分器/合路器的設(shè)計來說，PCB材料的選擇需要考慮如何控制，使得電路的插入損耗最小。

       在無源高頻器件如功分器/合路器或耦合器中，插入損耗實(shí)際上是很多損耗的總和，包括介質(zhì)損耗，導(dǎo)體損耗，輻射損耗以及泄露損耗。其中的一些損耗可以通過精心的電路設(shè)計來加以控制，它們也有可能依賴于PCB材料的特性并且可以通過合理地選擇PCB材料來使其損耗最小。阻抗不匹配（即駐波比損耗）可以導(dǎo)致?lián)p耗，但是可以通過選擇恒定介電常數(shù)的PCB材料來減小。

       最小化損耗在設(shè)計高功率值的功分器/合路器和耦合器中非常關(guān)鍵，因?yàn)樵诟吖β氏聯(lián)p耗會轉(zhuǎn)化為熱量并消散在器件和PCB材料中，而熱量會對材料的介電常數(shù)值（和阻抗值）產(chǎn)生影響。

       總之，當(dāng)設(shè)計和加工高頻功分器/合路器和耦合器時，高頻PCB材料的選擇應(yīng)該基于很多不同的關(guān)鍵材料特性，包括介電常數(shù)值，材料中介電常數(shù)的連續(xù)性，環(huán)境因素如溫度，減小材料的損耗包括介質(zhì)損耗和導(dǎo)體損耗以及功率容量。針對具體的應(yīng)用選擇PCB材料有助于設(shè)計高頻功分器/合路器或耦合器時取得成功。