Công nghệ vi sóng - Cách chọn PCB cho bộ chia công suất và bộ ghép nối thiết bị tần số cao

Cách chọn PCB cho bộ chia công suất và bộ ghép nối thiết bị tần số cao

Bộ chia công suất và bộ kết hợp là các thiết bị tần số cao được sử dụng phổ biến nhất/phổ biến nhất, cũng như các bộ ghép như bộ ghép hướng. Các thiết bị này được sử dụng để phân phối năng lượng, kết hợp và ghép nối năng lượng tần số cao của ăng-ten hoặc hệ thống, với tổn thất và rò rỉ nhỏ. Việc lựa chọn bảng mạch PCB là một yếu tố quan trọng trong việc đạt được hiệu suất mong muốn của các thiết bị này. Khi thiết kế và xử lý bộ chia/bộ kết hợp/bộ ghép công suất, rất hữu ích để hiểu các đặc tính của vật liệu PCB ảnh hưởng đến hiệu suất cuối cùng của các thiết bị này như thế nào. Các giới hạn bao gồm dải tần số, băng thông hoạt động và công suất điện.

Nhiều mạch khác nhau được sử dụng để thiết kế bộ chia công suất (đến lượt nó, bộ kết hợp) và bộ ghép nối, có nhiều dạng khác nhau. Tùy thuộc vào nhu cầu thực tế của hệ thống, bộ phân phối điện có các điểm công suất kênh kép đơn giản và các điểm công suất kênh N phức tạp. Nhiều bộ ghép hướng khác nhau và các loại bộ ghép nối khác cũng đã được phát triển trong những năm gần đây, bao gồm Wilkinson và bộ chia công suất điện trở, bộ ghép Lange và cầu tiết kiệm năng lượng lai trực giao. Chúng có nhiều hình dạng và kích cỡ khác nhau. Chọn vật liệu PCB phù hợp trong các thiết kế mạch này sẽ giúp đạt được hiệu suất tối ưu.

Những loại mạch khác nhau này ảnh hưởng đến cấu trúc và hiệu suất của thiết kế, giúp các nhà thiết kế chọn bảng cho các ứng dụng khác nhau. Bộ chia công suất kép Wilkinson sử dụng một tín hiệu đầu vào duy nhất để cung cấp tín hiệu đầu ra kép với biên độ và pha bằng nhau. Nó thực sự là một mạch "lossless" được thiết kế để cung cấp tín hiệu 3dB (hoặc nói cách khác) thấp hơn tín hiệu ban đầu. Là một nửa của tín hiệu ban đầu) tín hiệu đầu ra (công suất đầu ra của mỗi cổng của bộ phân phối công suất giảm khi số lượng cổng đầu ra tăng lên). Ngược lại, bộ chia công suất kép cung cấp tín hiệu đầu ra nhỏ hơn 6dB so với tín hiệu ban đầu. Trở kháng bổ sung cho mỗi nhánh trong bộ phân phối điện trở làm tăng tổn thất, nhưng cũng làm tăng sự cô lập giữa hai tín hiệu.

Giống như nhiều thiết kế mạch, hằng số điện môi (Dk) thường là điểm khởi đầu để chọn các vật liệu PCB khác nhau và các nhà thiết kế bộ chia công suất/bộ kết hợp công suất thường có xu hướng sử dụng vật liệu mạch có hằng số điện môi cao vì chúng có thể cung cấp khớp nối điện từ hiệu quả trong các mạch có kích thước nhỏ hơn so với vật liệu điện môi thấp. Có một vấn đề với các mạch có hằng số điện môi cao, đó là hằng số điện môi trong bảng là đẳng hướng hoặc các giá trị thường số điện môi của bảng khác nhau theo hướng x, y và z. Khi hằng số điện môi thay đổi đáng kể theo cùng một hướng, cũng rất khó để có được đường truyền với trở kháng đồng nhất.

Điều quan trọng là phải duy trì tính bất biến của trở kháng khi đạt được các đặc tính của bộ chia/bộ kết hợp công suất. Sự thay đổi trong hằng số điện môi (trở kháng) sẽ dẫn đến sự phân bố không đồng đều của năng lượng và công suất điện từ. May mắn thay, có những vật liệu PCB thương mại với đẳng hướng tuyệt vời có thể được sử dụng trong các mạch này, chẳng hạn như vật liệu mạch TMM 10i. Các vật liệu này có hằng số điện môi tương đối cao 9,8 và được duy trì ở mức 9,8+/- 0,245 (đo ở 10 GHz) theo ba hướng trục tọa độ. Điều này cũng có thể được hiểu là trong đường truyền của bộ phân phối/bộ kết hợp và bộ ghép công suất, các đặc tính trở kháng đồng nhất có thể làm cho sự phân phối năng lượng điện từ trong thiết bị không đổi và có thể đo lường được. Đối với vật liệu PCB có hằng số điện môi cao hơn, TMM 13i laminate có hằng số điện môi 12,85 và sự thay đổi của ba trục nằm trong khoảng+/- 0,35 (10GHz).

Tất nhiên, khi thiết kế bộ chia công suất/bộ kết hợp công suất và bộ ghép nối, hằng số điện môi và đặc tính trở kháng không đổi chỉ là một trong những thông số vật liệu PCB cần xem xét. Giảm thiểu tổn thất chèn thường là một mục tiêu quan trọng khi thiết kế bộ chia/bộ kết hợp công suất hoặc mạch ghép nối. Lý tưởng nhất, bộ chia công suất Wilkinson kép có thể cung cấp hai cổng đầu ra - 3dB hoặc một nửa năng lượng điện từ đầu vào. Trên thực tế, mỗi mạch bộ chia/bộ kết hợp công suất (và bộ ghép nối) sẽ có tổn thất chèn nhất định, thường phụ thuộc vào tần số (và khi tần số tăng lên, tổn thất cũng vậy), vì vậy đối với bộ chia/bộ ghép công suất, khi nói đến thiết kế, việc lựa chọn vật liệu PCB cần xem xét cách kiểm soát, do đó giảm thiểu tổn thất chèn của mạch.

Trong các thiết bị tần số cao thụ động như bộ chia/bộ kết hợp điện hoặc bộ ghép nối, mất chèn thực sự là tổng của nhiều tổn thất, bao gồm mất điện môi, mất dây dẫn, mất bức xạ và rò rỉ. Một số tổn thất này có thể được kiểm soát bằng thiết kế mạch cẩn thận. Chúng cũng có thể phụ thuộc vào các đặc tính của vật liệu PCB và có thể được giảm thiểu bằng cách lựa chọn hợp lý vật liệu PCB. Mất trở kháng (tức là mất tỷ lệ đứng) có thể dẫn đến mất mát, nhưng có thể được giảm bằng cách chọn vật liệu PCB có hằng số điện môi không đổi.

Giảm thiểu tổn thất là rất quan trọng khi thiết kế bộ phân phối/bộ kết hợp công suất cao và bộ ghép nối, vì ở mức tổn thất công suất cao, tổn thất sẽ được chuyển thành nhiệt và tiêu tan trong vật liệu thiết bị và PCB, nhiệt sẽ ảnh hưởng đến tính chất điện môi của vật liệu. Giá trị liên tục (và giá trị trở kháng) có thể có tác động.

Nói tóm lại, khi thiết kế và xử lý bộ chia/bộ kết hợp và bộ ghép công suất tần số cao, việc lựa chọn vật liệu PCB nên dựa trên nhiều đặc tính vật liệu chính khác nhau, bao gồm giá trị của hằng số điện môi, tính liên tục của hằng số điện môi trung gian vật liệu và các yếu tố môi trường như nhiệt độ. Giảm tổn thất vật liệu bao gồm tổn thất điện môi, Mất dây dẫn và công suất điện. Việc lựa chọn vật liệu PCB cho các ứng dụng cụ thể giúp thiết kế bộ chia/bộ kết hợp công suất tần số cao thành công hoặc bộ ghép nối.