Teknik PCB - Pilih bahan PCB untuk aplikasi kuasa tinggi RF

Memilih bahan PCB untuk aplikasi kuasa tinggi RF

Walaupun terdapat beberapa aplikasi PCB kuasa tinggi yang tidak ada hubungannya dengan stesen asas, kebanyakan aplikasi PCB kuasa tinggi berkaitan dengan penyampai kuasa stesen asas. Apabila merancang aplikasi RF berkuasa tinggi, perlukan pertimbangan berbilang. Artikel ini fokus pada aplikasi penyembah tenaga stesen asas berdasarkan PCB, tetapi konsep asas yang dibincangkan di sini juga berlaku untuk aplikasi tenaga tinggi lain.

Kebanyakan aplikasi RF kuasa tinggi mempunyai masalah pengurusan panas, dan pengurusan panas yang baik perlu mempertimbangkan beberapa hubungan asas. Contohnya, dalam kaitan dengan kehilangan, apabila kuasa isyarat dimasukkan ke dalam sirkuit, sirkuit dengan kehilangan yang lebih tinggi akan menghasilkan panas yang lebih tinggi; yang lain berkaitan dengan frekuensi, semakin tinggi frekuensi, semakin banyak panas akan dijana. Selain itu, peningkatan panas dalam mana-mana bahan dielektrik akan menyebabkan perubahan dalam Dk (konstan dielektrik) bahan dielektrik, iaitu, koeficien suhu konstan dielektrik (TCDk). Sebagaimana perubahan kehilangan menyebabkan perubahan suhu sirkuit, perubahan suhu menyebabkan perubahan Dk. perubahan Dk ini disebabkan oleh TCDk akan mempengaruhi prestasi sirkuit RF dan mungkin mempengaruhi aplikasi sistem.

Untuk hubungan kehilangan panas, berbagai jenis bahan dan ciri-ciri PCB yang sepadan boleh dianggap. Kadang-kadang, apabila desainer memilih bahan-bahan kehilangan rendah untuk aplikasi PCB, mereka mungkin hanya mempertimbangkan faktor penyesapan (Df atau tangen kehilangan). Df hanya kehilangan dielektrik bahan, tetapi terdapat kehilangan lain dalam litar. Kehilangan total sirkuit berkaitan dengan prestasi frekuensi radio adalah kehilangan penyisihan. Kehilangan penyisihan terdiri dari empat kerugian, yang merupakan jumlah kerugian dielektrik, kerugian konduktor, kerugian radiasi dan kerugian bocor.

Rangkaian menggunakan bahan kehilangan yang sangat rendah dengan Df 0.002 dan foil tembaga yang sangat licin akan mempunyai kehilangan penyisihan yang relatif rendah. Namun, jika sirkuit yang sama dengan bahan yang sama kehilangan rendah masih digunakan, tetapi penggunaan tembaga elektrolitik (ED) dengan kasar besar selain tembaga licin akan menyebabkan peningkatan yang signifikan kehilangan penyisihan.

Kekerasan permukaan foil tembaga akan mempengaruhi kehilangan konduktor sirkuit. Seharusnya dibersihkan bahawa kelabuan permukaan yang berkaitan dengan kehilangan adalah kelabuan permukaan foil tembaga di antaramuka tembaga-dielektrik apabila laminat diproses. Selain itu, jika medium yang digunakan dalam sirkuit lebih tipis, permukaan foil tembaga akan lebih dekat. Pada masa ini, kelabuan permukaan foil tembaga akan mempunyai kesan yang lebih besar pada kerugian penyisihan daripada medium relatif tebal.

Untuk aplikasi RF kuasa tinggi, pengurusan panas biasanya adalah masalah umum, dan lebih menguntungkan memilih laminat dengan Df rendah dan foil tembaga licin. Selain itu, ia biasanya perkara bijak untuk memilih laminat dengan konduktiviti panas tinggi. konduktiviti panas tinggi akan membantu dan secara efektif memindahkan panas dari sirkuit ke sink panas.

Hubungan frekuensi-panas menunjukkan bahawa menganggap kuasa RF yang sama pada dua frekuensi, lebih panas akan dijana apabila frekuensi meningkat. Mengambil beberapa eksperimen pengurusan panas yang dilakukan oleh Rogers PCB sebagai contoh, ia ditemukan bahawa naik panas garis transmisi microstrip yang dimuatkan dengan kuasa 80w RF pada 3.6 GHz adalah kira-kira 50°C. Apabila sirkuit yang sama diuji dengan kuasa 80w pada frekuensi 6.1 GHz, panas meningkat sekitar 80°C.

Ada banyak sebab kenapa suhu meningkat dengan frekuensi meningkat. Salah satu sebab ialah Df bahan akan meningkat semasa frekuensi meningkat, yang akan menyebabkan kehilangan dielektrik, dan akhirnya menyebabkan kehilangan penyisihan dan panas meningkat. Masalah lain ialah kehilangan konduktor meningkat dengan frekuensi. Pertumbuhan kehilangan konduktor hampir kerana kedalaman kulit menurun dengan frekuensi yang meningkat. Selain itu, semasa frekuensi meningkat, medan elektrik akan menjadi lebih padat, dan akan ada lebih padat kuasa dalam kawasan tertentu sirkuit, yang juga akan meningkat panas.

Akhirnya, TCDk bahan telah disebut banyak kali dalam artikel ini. Ia adalah ciri-ciri kandungan bahan yang Dk berubah dengan suhu, dan ia adalah ciri-ciri bahan yang sering dilupakan. Untuk sirkuit penyampai kuasa, terdapat 1/4 garis panjang gelombang dalam rancangan untuk rangkaian yang sepadan, dan rangkaian ini sangat sensitif kepada perubahan Dk. Apabila Dk berubah secara signifikan, persamaan panjang gelombang 1/4 akan berubah, yang mengakibatkan perubahan efisiensi penyembah kuasa, yang sangat tidak diinginkan.

Secara singkat, bila memilih bahan frekuensi tinggi untuk aplikasi RF kuasa tinggi, bahan patut mempunyai Df rendah, foil tembaga relatif licin, konduktiviti panas tinggi, dan TCDk rendah. Apabila mempertimbangkan ciri-ciri bahan ini dan keperluan penggunaan akhir, banyak perdagangan perlu dibuat. Oleh itu, apabila memilih bahan untuk aplikasi RF kuasa tinggi, ia sentiasa bijak bagi desainer untuk menghubungi penyedia bahan mereka.