Notizie PCB - Scelta dei materiali del circuito stampato PCB per applicazioni RF ad alta potenza

Sebbene ci siano alcune applicazioni di circuiti stampati PCB ad alta potenza che non hanno nulla a che fare con le stazioni base, la maggior parte delle applicazioni di circuiti stampati PCB ad alta potenza sono correlate agli amplificatori di potenza della stazione base. Quando si progettano tali applicazioni RF ad alta potenza, devono essere fatte molteplici considerazioni. Questo articolo si concentra sull'applicazione degli amplificatori di potenza della stazione base basati su circuiti stampati PCB, ma i concetti di base discussi qui sono applicabili anche ad altre applicazioni ad alta potenza.

La maggior parte delle applicazioni RF ad alta potenza ha problemi di gestione termica e una buona gestione termica deve considerare alcune relazioni di base. Ad esempio, il rapporto con la perdita, quando la potenza del segnale in ingresso nel circuito, maggiore è la perdita del circuito genererà calore maggiore; l'altro è legato alla frequenza, maggiore è la frequenza che genererà più calore. Inoltre, l'aumento di calore in qualsiasi materiale dielettrico causerà un cambiamento nella Dk (costante dielettrica) del materiale dielettrico, cioè il coefficiente di temperatura della costante dielettrica (TCDk). Poiché i cambiamenti di perdita portano a cambiamenti nella temperatura del circuito, i cambiamenti di temperatura portano a cambiamenti in Dk. Questo cambiamento di Dk causato da TCDk influenzerà le prestazioni del circuito RF e può influenzare le applicazioni del sistema.

Per la relazione di perdita di calore, possono essere prese in considerazione una varietà di materiali diversi e caratteristiche PCB corrispondenti. A volte, quando i progettisti selezionano materiali a bassa perdita per le applicazioni di schede PCB, possono considerare solo il fattore di dissipazione (Df o tangente di perdita). Df è solo la perdita dielettrica del materiale, ma ci sono altre perdite nel circuito. La perdita totale del circuito relativa alle prestazioni di radiofrequenza è la perdita di inserimento. La perdita di inserzione consiste di quattro perdite, che sono la somma della perdita dielettrica, perdita del conduttore, perdita di radiazione e perdita di perdita.

I circuiti che utilizzano materiali a perdita estremamente bassa con un Df di 0,002 e un foglio di rame molto liscio avranno una perdita di inserzione relativamente bassa. Tuttavia, se lo stesso circuito con lo stesso materiale a bassa perdita viene ancora utilizzato, ma l'uso di rame elettrolitico (ED) con grande rugosità invece del rame liscio comporterà un aumento significativo della perdita di inserzione.

La rugosità superficiale del foglio di rame influenzerà la perdita del conduttore del circuito. Deve essere chiaro che la rugosità superficiale relativa alla perdita è la rugosità superficiale del foglio di rame all'interfaccia rame-dielettrica quando il laminato PCB viene elaborato. Inoltre, se il mezzo utilizzato nel circuito è più sottile, la superficie della lamina di rame sarà più vicina. In questo momento, la rugosità superficiale del foglio di rame avrà un impatto maggiore sulla perdita di inserzione rispetto a un mezzo relativamente spesso.

Per le applicazioni RF ad alta potenza, la gestione termica è solitamente un problema comune ed è più vantaggioso scegliere un laminato con basso Df e foglio di rame liscio. Inoltre, di solito è una cosa saggia scegliere un laminato con alta conducibilità termica. L'alta conducibilità termica aiuterà e trasferirà efficacemente il calore dal circuito al dissipatore di calore.

La relazione frequenza-calore mostra che assumendo la stessa potenza RF a due frequenze, più calore sarà generato quando la frequenza è aumentata. Prendendo ad esempio alcuni esperimenti di gestione termica condotti da Rogers, si scopre che l'aumento di calore di una linea di trasmissione microtrip caricata con potenza RF 80w a 3,6 GHz è di circa 50°C. Quando lo stesso circuito è testato con potenza 80w alla frequenza di 6,1 GHz, l'aumento di calore è di circa 80 ° C.

Ci sono molte ragioni per cui la temperatura aumenta con frequenza crescente. Uno dei motivi è che il Df del materiale aumenterà man mano che la frequenza aumenta, che porterà a una maggiore perdita dielettrica e, infine, porterà ad un aumento della perdita di inserzione e del calore. Un altro problema è che la perdita del conduttore aumenta con la frequenza. L'aumento della perdita del conduttore è quasi dovuto al fatto che la profondità della pelle diminuisce con frequenza crescente. Inoltre, man mano che la frequenza aumenta, il campo elettrico diventerà più denso e ci sarà una maggiore densità di potenza in una data area del circuito, che aumenterà anche il calore.

Infine, il TCDk di un materiale è stato menzionato molte volte in questo articolo. È una proprietà intrinseca del materiale il cui Dk cambia con la temperatura, ed è una caratteristica materiale che viene spesso trascurata. Per i circuiti amplificatori di potenza, ci sono linee di lunghezza d'onda 1/4 nel design per le reti corrispondenti, e queste reti sono molto sensibili alle fluttuazioni Dk. Quando Dk cambia significativamente, la corrispondenza della lunghezza d'onda di 1/4 si sposterà, con conseguente cambiamento nell'efficienza dell'amplificatore di potenza, che è molto indesiderabile.

In breve, quando si seleziona un materiale ad alta frequenza per applicazioni di circuiti stampati RF ad alta potenza, il materiale dovrebbe avere Df basso, foglio di rame relativamente liscio, alta conducibilità termica e TCDk basso. Quando si considerano queste proprietà dei materiali e i requisiti per l'uso finale, è necessario fare molti compromessi. Pertanto, quando si selezionano materiali per applicazioni RF ad alta potenza, è sempre saggio per i progettisti contattare i loro fornitori di materiali.