Technologie PCB - Choisir un matériau PCB pour les applications RF haute puissance

Choisir un matériau PCB pour les applications RF haute puissance

Bien qu'il existe quelques applications de PCB haute puissance qui ne sont pas liées à la station de base, la plupart des applications de PCB haute puissance sont liées aux amplificateurs de puissance de la station de base. Plusieurs considérations sont nécessaires lors de la conception de cette application RF haute puissance. Cet article se concentre sur l'application des amplificateurs de puissance de station de base basés sur PCB, mais les concepts de base discutés ici s'appliquent également à d'autres applications à haute puissance.

La plupart des applications RF haute puissance ont des problèmes de gestion thermique et une bonne gestion thermique nécessite de prendre en compte certaines relations de base. Par example, en ce qui concerne les pertes, un circuit avec des pertes plus élevées produira plus de chaleur lorsque la puissance du signal est entrée dans le circuit; L'autre est lié à la fréquence, plus la fréquence est élevée, plus la chaleur est produite. De plus, l'augmentation de la chaleur dans tout matériau diélectrique entraîne une variation de la DK (constante diélectrique) du matériau diélectrique, c'est - à - dire du coefficient de température de la constante diélectrique (tcdk). Comme la variation des pertes entraîne une variation de la température du circuit, la variation de la température entraîne une variation de DK. Cette variation de DK induite par tcdk affectera les performances du circuit RF et peut affecter les applications du système.

Pour la relation de perte de chaleur, divers matériaux différents et les caractéristiques correspondantes du PCB peuvent être pris en compte. Parfois, lorsque les concepteurs choisissent un matériau à faible perte pour une application PCB, ils peuvent ne prendre en compte que le facteur de dissipation (DF ou tangente d'angle de perte). DF est simplement une perte diélectrique du matériau, mais il y a d'autres pertes dans le circuit. Les pertes totales du circuit liées aux performances radiofréquences sont des pertes d'insertion. Les pertes d'insertion sont constituées de quatre pertes, à savoir la somme des pertes diélectriques, des pertes de conducteur, des pertes radiatives et des pertes de fuite.

Un circuit utilisant un matériau à très faibles pertes de DF 0002 et une feuille de cuivre très lisse aura des pertes d'insertion relativement faibles. Cependant, si l'on utilise toujours le même circuit avec le même matériau à faibles pertes, mais en utilisant du cuivre électrolytique (ed) avec une grande rugosité au lieu de cuivre lisse, cela entraînera une augmentation significative des pertes d'insertion.

La rugosité de surface de la Feuille de cuivre affecte les pertes de conducteurs du circuit. Il est à préciser que la rugosité de surface liée aux pertes est la rugosité de surface de la Feuille de cuivre à l'interface cuivre - diélectrique lors du traitement du stratifié. De plus, si le support utilisé dans le circuit est plus mince, la surface de la Feuille de cuivre sera plus étroite. A ce moment - là, la rugosité de surface de la Feuille de cuivre a un impact plus important sur les pertes d'insertion par rapport à un milieu relativement épais.

Pour les applications RF haute puissance, la gestion thermique est souvent un problème courant et il est plus avantageux de choisir un stratifié avec un DF faible et une feuille de cuivre lisse. De plus, choisir un stratifié avec une conductivité thermique élevée est souvent une chose intelligente à faire. Une conductivité thermique élevée aidera et transférera efficacement la chaleur du circuit au radiateur.

La relation fréquence - chaleur suggère que, en supposant la même puissance RF aux deux fréquences, plus de chaleur sera produite lorsque la fréquence augmentera. Si l'on prend l'exemple de quelques expériences de gestion thermique réalisées par Rogers PCB, on constate que la montée en température d'une ligne de transmission microbande chargée de 80 W de puissance RF à 3,6 GHz est d'environ 50°C. Lorsque le même circuit est testé avec une puissance de 80 W à la fréquence de 6,1 GHz, l'élévation de chaleur est d'environ 80°c.

Il existe de nombreuses raisons pour lesquelles la température augmente avec la fréquence. L'une des raisons est que le DF du matériau augmentera avec la fréquence, ce qui entraînera plus de pertes diélectriques et, finalement, des pertes d'insertion et une augmentation de la chaleur. Un autre problème est que les pertes de conducteurs augmentent avec la fréquence. L'augmentation des pertes de conducteurs est presque due à la diminution de la profondeur de la peau avec l'augmentation de la fréquence. De plus, à mesure que la fréquence augmente, le champ électrique devient plus dense et une zone donnée du circuit a une plus grande densité de puissance, ce qui augmente également la chaleur.

Enfin, le tcdk d'un matériau est mentionné plusieurs fois dans cet article. Il s'agit d'une propriété intrinsèque des matériaux dont le DK varie avec la température et qui est souvent négligée. Pour les circuits amplificateurs de puissance, il y a 1 / 4 de lignes de longueur d'onde dans la conception des réseaux adaptés et ces réseaux sont très sensibles aux fluctuations DK. Lorsque DK change de manière significative, l'adaptation de longueur d'onde 1 / 4 sera décalée, entraînant un changement d'efficacité de l'amplificateur de puissance, ce qui est très indésirable.

En bref, lorsque vous choisissez un matériau haute fréquence pour une application RF haute puissance, ce matériau doit avoir un DF faible, une feuille de cuivre relativement lisse, une conductivité thermique élevée et un tcdk faible. De nombreux compromis sont nécessaires lorsque l'on considère ces caractéristiques des matériaux et les exigences de l'utilisation finale. Par conséquent, lors du choix d'un matériau pour une application RF haute puissance, il est toujours sage pour les concepteurs de contacter les fournisseurs de matériaux.