适合于5G微波/毫米波放大器的PCB材料

发布日期:2018-04-18 浏览次数:0 我要评论(0) 字号:

全球范围数以万计的语音连接和难以想象的数据文件需求,表明了第五代(5G)无线通信网络出现的必然性。5G时代即将到来,它的应用需要为包括功率放大器(PA)在内的许多不同类型的高频电路提供合适的电路材料。5G代表了当前无线技术中的最新和最值得关注的技术,它可以在许多不同的频率上工作,如6GHz及以下频率,以及毫米波频率(通常为30GHz及以上);而且它还需要接收来自地面基站和轨道卫星的网络接入。因此从选择电路板材料开始,其设计和制造都将会面临挑战,但是,通过对机械和电气性能要求的仔细考量,仍可以选择相应的高频电路材料,无论工作频率高低,都能使5G功率放大器的设计和开发成为可能。

理想情况下,都希望找到某一种电路材料可以适用于所有频率的功率放大器应用。然而,不同频率的放大器具有不同的设计要求,并且放大器需要选用具有不同特性的电路材料,从而适应不同的频率。例如,插入损耗或损耗因子可能或多或少地取决于电路材料的类型。每种电路材料都会有一定程度的损耗,而损耗通常会随着频率的增加而增加。在5G使用的低频微波频段,某一给定的电路材料的损耗性能可能是可以接受的,因为其增益较高;但在毫米波频率范围内就变得不可接受,这是因为毫米波频段下输出功率将显著变小,过高的损耗会导致信号功率电平较弱而无法接受。能在微波频率下用于高功率和PA增益值低损耗电路材料并不是毫米波频率下PA的最佳材料选择。

对介电常数(Dk)这一关键电路材料参数的设计需求,在6GHz及以下的5G微波频率上,与用于5G网络的短距离回传中的毫米波频率上截然不同。为每个频段寻找最佳电路材料时,就需要了解哪个Dk值最适合于这两个不同频率范围。然后找到具有这些Dk值的电路材料,并兼顾材料的其他材料属性,从而设计并制造出优异、高性能、高频率的功率放大器。

无论是用于微波频率还是毫米波频率,用于功率放大器的电路材料都必须能够支持功放管实现阻抗匹配。阻抗匹配对于低功率放大器中的有源器件(如驱动器放大器,甚至是低噪声放大器(LNA))也是必需的。适合于完成阻抗匹配网络的电路材料应能够使电路的阻抗变化保持为最小,这通常需要材料具有非常严格厚度控制(厚度没有变化);非常严格的导体宽度控制,如微带传输线,以保持相同的阻抗;还需要严格控制电路材料的铜箔厚度;以及严格控制电路材料的Dk值,尤其是其在不同温度环境下的Dk。尽管具有严格控制的Dk值的电路材料可以帮助将高频传输线的阻抗变化保持在狭窄范围内容(例如3.50±0.05,±0.05或更低的Dk值公差的电路材料通常被认为是具有严格控制Dk值的材料),这也的确是功率放大器电路的阻抗匹配所需要的,但材料厚度的变化对阻抗匹配中阻抗的一致性则将产生更大的影响。

随着频率的增加,信号波长随之减小,电路也随之更小。许多用于微波和毫米波频率的功率放大器电路设计,例如Doherty放大器,都依靠四分之一波长的传输线电路结构进行阻抗变换。这一结构的尺寸就是一个关于电路厚度的函数。如果电路材料的厚度没有被严格控制,那么就很容易看到传输线和电路结构的阻抗是随着材料厚度的变化而变化。通常,±10%或更小的厚度变化范围是被认为进行了材料厚度严格控制的。

PCB热管理

无论是在微波频率还是在毫米波频率下,PA电路的性能都会因受温度变化的影响而产生变化,这个变化既来自于环境温度,也来自于PA自身的有源器件所产生的热量(如功率晶体管或IC)。在寻找适用于5G应用的微波和毫米波功率放大器的电路材料时,寻找能够进行有效热管理的电路材料对于降低功率放大器的性能变化至关重要,因为其自身有源器件会产生大量热量而使温度上升。 评估材料的热性能时,有两种电路材料参数特别有用:分别是导热系数和介电常数热稳定系数(TCDk)。

高导热性能材料可以有效地将热量从在PCB上的任何发热有源器件(例如PA的功率晶体管)中通过热流带走。 持续的热流不仅能消除热量对晶体管可靠性产生的影响,而且有助于最大限度地降低热引起的PA的性能变化。0.5 W / m•K或更高的导热系数对于PCB材料来说可认为是性能优良的材料。

TCDk是电路材料的基本属性,用于表征该材料的Dk值如何受温度变化的影响。理想情况下,材料的TCDk为0 ppm /ºC,Dk值不受温度的变化而变化。 但实际的电路材料在温度变化下,DK值会出现一些改变。一般而言,TCDk小于| 50 | ppm /ºC时被认为是性能很好的材料,此时Dk随温度的变化很小。在5G系统中,对于需要用到较为准确的四分之一波长线的放大器和其他电路来说,低的TCDk值的电路材料将有助于最大限度地降低电路的性能差异。

与低频功率放大器和电路相比,毫米波功率放大器及电路的信号波长更短,电路通常需要更薄的PCB材料,并且其厚度仍需要保持严格的公差。对于电路材料相关的其他特性带来的影响,如铜表面粗糙度,较薄的电路材料甚至比较厚的电路材料更敏感。铜表面粗糙度会导致电路传输线损耗和相位变化等,因此在5G微波和毫米波功率放大器中的小波长、高频率电路应用来说,选定的材料的铜箔表面粗糙度都应该尽可能小。

为了提供5G放大器所需特性的电路材料,这里列举了来自罗杰斯公司(www.rogerscorp.com)的两种不同厚度和特性的材料作为不同频率范围应用示例。例如,对于6GHz及以下频率的5G 功率放大器,厚度为20mil和30mil的陶瓷填充的电路材料,RO4385™是较好的选择。它是低成本、高性价比的电路材料,能在较宽温度范围内保持一致的性能。 它们在10GHz时的z轴(厚度方向)介电常数Dk是3.48,公差严格控制在±0.05内。并且可使用标准环氧树脂/玻璃(FR-4)工艺进行加工制造,非常适用于低频段5G功放的应用中。

对于毫米波频率下的5G功率放大器,厚度为5mil和10mil的RO3003™层压板就是非常合适的选择。RO3003™材料是由陶瓷所填充的PTFE(聚四氟乙烯)材料。它在10 GHz时的Z轴(厚度方向)的介电常数是3.0,公差在±0.04以内。它具有极低的损耗特性,有助于毫米波频段功率放大器电路中获得最大的增益,也非常适用于未来5G无线网络的信号回传的各种毫米波频段应用。

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