PCB技術 - 無線周波数高出力応用のためのPCB材料の選択

無線周波数高出力応用のためのPCB材料の選択

基地局とは無関係な高電力PCBアプリケーションがいくつかあるが、大部分の高電力PCBのアプリケーションは基地局電力増幅器と関連している。このような高出力RFアプリケーションを設計するには、様々な考慮が必要である。本文は重点的にPCBに基づく基地局電力増幅器の応用を紹介したが、ここで議論した基本概念は他の高電力応用にも適用される。

ほとんどの高出力無線周波応用には熱管理の問題があり、良好な熱管理にはいくつかの基本的な関係を考慮する必要がある。例えば、損失については、信号電力が回路に入力されると、損失の高い回路はより高い熱を発生し、もう1つは周波数に関係しており、周波数が高いほど発生する熱が多くなります。さらに、誘電体材料中の熱の増加は、誘電体材料のDk（誘電率）、すなわち誘電率の温度係数（TCDk）を変化させる。損失の変化により回路温度が変化し、温度の変化によりDkが変化する。このTCDkによるDkの変化はRF回路の性能に影響を与え、システム応用に影響を与える可能性がある。

熱損失関係については、様々な異なる材料と対応するPCB特性を考慮することができる。時々、設計者がPCBアプリケーションのために低損失材料を選択する場合、彼らは散逸因子（Dfまたは損失正接）だけを考慮することができる。Dfは材料の誘電損失にすぎないが、回路には他の損失がある。無線周波数性能に関連する回路の総損失は挿入損失である。挿入損失は4つの損失、すなわち誘電損失、導体損失、放射損失と漏洩損失の和からなる。

Dfが0.002の極低損失材料と非常に滑らかな銅箔を用いた回路は、比較的低い挿入損失を有するであろう。しかしながら、同じ低損失材料を有する同じ回路を使用したままである場合、滑らかな銅の代わりに大きな粗さを有する電解銅（ED）を使用すると、挿入損失の顕著な増加をもたらす。

銅箔の表面粗さは回路の導体損失に影響する。なお、損失に関する表面粗さは、積層板を処理する際の銅−誘電体界面における銅箔の表面粗さの程度である。また、回路に使用されている媒体がより薄い場合は、銅箔表面がより緊密になります。この場合、銅箔の表面粗さは、比較的厚い媒体よりも挿入損失に大きな影響を与える。

高出力RF用途では、熱管理は一般的に一般的な問題であり、低Dfと平滑な銅箔を有する積層板を選択することが有利である。また、熱伝導性の高い積層板を選択することは、一般的に賢明である。高い熱伝導性は、回路からヒートシンクに熱を伝達するのに役立ち、効率的になります。

周波数−熱関係は、2つの周波数におけるRF電力が同じであると仮定し、周波数が増加すると、より多くの熱が発生することを示している。Rogers PCBによるいくつかの熱管理実験を例にとると、3.6 GHzで80 wの無線周波数電力を負荷するマイクロストリップ伝送路の熱上昇は約50°Cであることが分かった。同じ回路が6.1 GHzの周波数で80 wの電力で試験を行うと、熱は約80°Cに上昇した。

温度が周波数とともに増加する原因はたくさんある。その理由の1つは、材料のDfが周波数の増加とともに増加し、それがより多くの誘電損失をもたらし、最終的には挿入損失と熱の増加をもたらすからである。もう1つの問題は、周波数が増加するにつれて導体損失が増加することである。導体損失の増加は、周波数の増加とともに表皮深さが減少したことによるものがほとんどである。また、周波数が増加するにつれて、電界はより密になり、回路の所与の領域はより大きな電力密度になり、これも熱を増加させる。

最後に、本文は何度も材料のTCDkに言及した。これはDkの温度変化に伴う材料の固有特性であり、しばしば無視される材料特性でもある。電力増幅器回路の場合、整合ネットワークの設計には1/4の波長線があり、これらのネットワークはDk変動に非常に敏感である。Dkが顕著に変化すると、1／4波長整合がシフトし、電力増幅器の効率が変化することが非常に望ましくない。

簡単に言えば、高出力RF用途のために高周波材料を選択する場合、材料は低Df、比較的滑らかな銅箔、高熱伝導率、低TCDkを持つべきである。これらの材料特性と最終用途要件を考慮するには、多くのトレードオフが必要です。したがって、高出力無線周波応用のために材料を選択する場合、設計者は材料供給業者に連絡するのが常に賢明である。