Công nghệ PCB - Chọn vật liệu PCB cho ứng dụng công suất cao RF

Chọn vật liệu PCB cho ứng dụng công suất cao RF

Mặc dù có một số ứng dụng PCB công suất cao không liên quan đến trạm cơ sở, hầu hết các ứng dụng PCB công suất cao đều liên quan đến bộ khuếch đại công suất trạm cơ sở. Có một số cân nhắc cần được thực hiện khi thiết kế ứng dụng RF công suất cao này. Bài viết này tập trung vào việc áp dụng bộ khuếch đại công suất trạm gốc dựa trên PCB, nhưng các khái niệm cơ bản được thảo luận ở đây cũng áp dụng cho các ứng dụng công suất cao khác.

Hầu hết các ứng dụng RF công suất cao đều có vấn đề về quản lý nhiệt và quản lý nhiệt tốt cần xem xét một số mối quan hệ cơ bản. Ví dụ, liên quan đến tổn thất, một mạch có tổn thất cao hơn sẽ tạo ra nhiệt cao hơn khi nguồn tín hiệu được đưa vào mạch; Cái còn lại liên quan đến tần số, tần số càng cao, nhiệt càng được tạo ra. Ngoài ra, sự gia tăng nhiệt trong bất kỳ vật liệu điện môi nào cũng dẫn đến sự thay đổi Dk (hằng số điện môi) của vật liệu điện môi, hệ số nhiệt độ (TCDk) của hằng số điện môi. Sự thay đổi nhiệt độ dẫn đến sự thay đổi nhiệt độ mạch do sự thay đổi tổn thất gây ra sự thay đổi Dk. Sự thay đổi Dk này do TCDk gây ra sẽ ảnh hưởng đến hiệu suất của mạch RF và có thể ảnh hưởng đến các ứng dụng hệ thống.

Đối với mối quan hệ mất nhiệt, một loạt các vật liệu khác nhau và các đặc tính PCB tương ứng có thể được xem xét. Đôi khi, khi các nhà thiết kế chọn vật liệu tổn thất thấp cho các ứng dụng PCB, họ có thể chỉ xem xét các yếu tố tiêu hao (Df hoặc góc tổn thất). Df chỉ là tổn thất điện môi của vật liệu, nhưng có những tổn thất khác trong mạch. Tổng tổn thất của mạch liên quan đến hiệu suất RF là tổn thất chèn. Mất chèn bao gồm bốn tổn thất, đó là tổng mất điện môi, mất dây dẫn, mất bức xạ và rò rỉ.

Mạch sử dụng vật liệu tổn thất rất thấp với Df 0,002 và lá đồng rất mịn sẽ có tổn thất chèn tương đối thấp. Tuy nhiên, nếu cùng một mạch với cùng một vật liệu mất mát thấp vẫn được sử dụng, nhưng việc sử dụng đồng điện phân (ED) với độ nhám lớn thay cho đồng trơn sẽ dẫn đến sự gia tăng đáng kể tổn thất chèn.

Độ nhám bề mặt của lá đồng có thể ảnh hưởng đến tổn thất dây dẫn của mạch. Điều cần lưu ý là độ nhám bề mặt liên quan đến tổn thất là độ nhám bề mặt của lá đồng tại giao diện đồng-điện môi khi xử lý các tấm laminate. Ngoài ra, nếu phương tiện truyền thông được sử dụng trong mạch mỏng hơn, bề mặt lá đồng sẽ chặt chẽ hơn. Tại thời điểm này, độ nhám bề mặt của lá đồng sẽ có tác động lớn hơn đến tổn thất chèn so với môi trường tương đối dày.

Quản lý nhiệt thường là một vấn đề phổ biến đối với các ứng dụng RF công suất cao, và nó là thuận lợi hơn để chọn một laminate với Df thấp và lá đồng mịn. Ngoài ra, nó thường là một động thái thông minh để chọn một laminate có độ dẫn nhiệt cao. Độ dẫn nhiệt cao sẽ hỗ trợ và truyền nhiệt hiệu quả từ mạch đến bộ tản nhiệt.

Mối quan hệ tần số-nhiệt cho thấy rằng nhiều nhiệt hơn sẽ được tạo ra khi tần số tăng, giả sử công suất RF ở cả hai tần số là như nhau. Lấy một số thí nghiệm quản lý nhiệt được thực hiện bởi Rogers PCB làm ví dụ, một đường truyền microband tải công suất RF 80w ở 3,6GHz được tìm thấy có mức tăng nhiệt khoảng 50 ° C. Khi cùng một mạch được thử nghiệm với công suất 80w ở tần số 6,1 GHz, mức tăng nhiệt là khoảng 80 ° C.

Có nhiều lý do tại sao nhiệt độ tăng theo tần số. Một trong những lý do là Df của vật liệu sẽ tăng lên khi tần số tăng lên, dẫn đến mất điện môi nhiều hơn và cuối cùng là mất chèn và tăng nhiệt. Một vấn đề khác là mất dây dẫn tăng lên khi tần số tăng lên. Sự gia tăng tổn thất dây dẫn gần như là do độ sâu da giảm khi tần số tăng lên. Ngoài ra, khi tần số tăng lên, điện trường trở nên dày đặc hơn và mật độ năng lượng lớn hơn trong một khu vực nhất định của mạch, điều này cũng làm tăng nhiệt.

Cuối cùng, bài viết này đề cập đến TCDk của một vật liệu nhiều lần. Đây là một đặc tính vốn có của vật liệu Dk thay đổi theo nhiệt độ và thường bị bỏ qua. Đối với mạch khuếch đại công suất, có 1/4 đường bước sóng trong thiết kế của mạng phù hợp và các mạng này rất nhạy cảm với biến động Dk. Khi Dk thay đổi đáng kể, khớp bước sóng 1/4 sẽ bị lệch, dẫn đến sự thay đổi về hiệu quả của bộ khuếch đại công suất, điều này rất không mong muốn.

Nói tóm lại, khi chọn vật liệu tần số cao cho các ứng dụng RF công suất cao, vật liệu này phải có Df thấp, lá đồng tương đối mịn, độ dẫn nhiệt cao và TCDk thấp. Nhiều sự đánh đổi được yêu cầu khi xem xét các đặc tính vật liệu này và các yêu cầu sử dụng cuối cùng. Do đó, nó luôn luôn là khôn ngoan cho các nhà thiết kế để liên hệ với các nhà cung cấp vật liệu khi lựa chọn vật liệu cho các ứng dụng RF công suất cao.