Выбор материалов для печатных плат с микроволновыми усилителями

Микроволновые усилители изготавливают в различных форм-факторах и размерах, причем малошумящие усилители (LNAs) и усилители мощности (PAs), возможно, являются двумя наиболее часто используемыми высокочастотными разновидностями. Наиболее важным компонентом при реализации обоих типов усилителей в форме гибридной схемы, является печатная плата (PCB), которая оказывает значительное влияние на конечные характеристики как LNA, так и PA.

Рис. 1. Материалы схем должны обеспечивать стабильные физические и электрические характеристики при

изготовлении усилителей мощности (как на рисунке), а также малошумящих усилителей

 

Изучив некоторые основные характеристики и параметры материалов печатных плат, можно найти доступные печатные платы, которые хорошо подходят для схем LNA и PA для широкого спектра коммерческих, промышленных и военных приложений.

Согласованность волновых сопротивлений и стабильность геометрических размеров — два свойства, которые можно считать хорошими отправными точками для любого материала схемы, рассматриваемого в качестве основы для LNA или PA (рис. 1). Уровни мощности и тепловыделения, генерируемого двумя типами усилителей, будут различаться, но при этом сохраняются прогнозируемые зависимости от частоты и температуры для критических параметров материала печатной платы, таких как диэлектрическая проницаемость (Dk или ε_r), температурный коэффициент диэлектрической проницаемости (TCDk) и коэффициент рассеяния (Df), что может повысить эффективность усилителя любого типа.

LNAs усилители заданной полосы пропускания обычно сравнивают по ряду ключевых параметров. Как правило это коэффициент шума, коэффициент усиления слабого сигнала и выходная мощность при компрессии в 1 дБ. В идеале коэффициент шума остается постоянно низким даже при увеличении частоты и температуры. Однако, коэффициент шума LNA сильно зависит от постоянства импеданса схемы с LNA (обычно 50 Ом) Постоянство и точность импеданса зависит от ряда различных характеристик материала печатной платы. К ним относятся изменения толщины материала печатной платы, изменения Dk по площади материала платы и изменения Dk в зависимости от температуры.

Минимизация потерь материала схемы будет способствовать минимизации коэффициента шума LNA. На печатных платах возникают потери из-за различных неоднородностей материала, включая диэлектрические потери. По этой причине для конструкций ВЧ/СВЧ LNA обычно используются печатные платы с более низкими значениями Df.

Различия в толщине материала могут привести к изменению импеданса линий передачи, поэтому материал печатной платы, используемый для изготовления LNA, должен иметь строго контролируемую толщину, чтобы обеспечить жесткое соблюдение импеданса. Материалы с допуском по толщине ±10% или выше считаются вполне подходящими для многих высокочастотных применений.

Рис. 2. Обеспечение стабильности Dk в широком диапазоне температур является ключевой характеристикой

материалов печатных плат для усилителей мощности и малошумящих усилителей.

Для печатной платы с заданным значением Dk характеристическое сопротивление цепи определяется шириной проводников линии передачи и значением Dk. Для материалов с более низким значением Dk для достижения заданного импеданса (например, 50 Ом) необходимы более широкие проводники по сравнению с более узкими проводниками для того же импеданса с материалами с более высоким значением Dk. Хотя эти более широкие линии передачи могут занимать больше места на печатной плате, они также имеют меньшие потери, чем более узкие линии передачи.

Конечно, Df материала схемы также влияет на величину потерь в материале. Достижение стабильности импеданса по площади платы для конкретного материала требует геометрической точности ширины проводников и минимальных отклонений толщины меди, используемой для формирования этих проводников. Причем влияние отклонений толщины проводника и меди на импеданс больше для более тонких материалов печатных плат, чем для более толстых материалов печатных плат. Хотя более толстые материалы печатных плат будут иметь большие диэлектрические потери, чем тонкие.

Импеданс цепи также меняется в зависимости от изменения Dk цепи, поэтому материал печатной платы, который может быть использован для LNA, должен обеспечивать достаточно жесткий допуск Dk. К счастью, доступны коммерческие материалы для печатных плат со значениями Dk, которые находятся в пределах довольно жестких допусков по всему материалу. Например, материал RT/duroid 6035HTC от Rogers Corp. имеет Dk = 3,5 по оси z (толщина) материала на частоте 10 ГГц с допуском Dk в пределах ±0,05 по всему материалу. Контролируемое значение Dk позволяет использовать схемы LNA с обеспечением точно контролируемого импеданса для достижения высоких показателей коэффициента шума.

Материал RT/duroid 6035HTC сохраняет низкую диэлектрическую проницаемость Dk в широком диапазоне температур (рис. 2) с TCDk на уровне -66 ppm/°C по оси z от -50 до +150°C. Материал также демонстрирует низкие потери с Df = 0,0013 на частоте 10 ГГц. Этот материал и его характеристики являются хорошими примером, материала на котором можно достичь хороших характеристик LNA.

Материалы для печатных плат радиочастотных/микроволновых усилителей мощности имеют несколько иной набор приоритетов их критических характеристик, поскольку они обрабатывают гораздо более высокие уровни мощности, чем малошумящие усилители. Как и в случае с материалами схем LNA, важными параметрами для материалов, рассматриваемых для усилителя мощности (PA), являются плотность Dk и контроль импеданса. Теплопроводность становится более важной характеристикой для конструкций PA из-за большего количества тепла, выделяемого этими типами усилителей. На самом деле, ключевые параметры материала печатной платы, которые следует учитывать для PA, связаны с температурой, включая теплопроводность, TCDk и коэффициент теплового расширения (CTE).

Рис. 3. Поддержание постоянного коэффициента теплового расширения (КТР) в зависимости от температуры

выгодно для материалов схем усилителей мощности и малошумящих усилителей.

 

Материалы высокочастотных цепей часто называют терморезистивными материалами, поскольку они обычно обладают низкой теплопроводностью. Типичное минимальное значение теплопроводности материала схемы для PA составляет около 0,30 W/m-K. В настоящее время, появляются материалы печатных плат которые могут превышать значение теплопроводности 0,30 Вт/м/К, чтобы обеспечить возможность необходимого теплоотведения энергоемких компонентов таких как транзисторы на основе нитрида галлия (GaN) в твердотельных радиочастотных/микроволновых усилителях мощности. Материал платы RT/duroid 6035HTC, о котором упоминалось ранее, на самом деле имеет удивительно высокую теплопроводность по сравнению с большинством коммерческих материалов — 1,44 W/m-K при +80°C, что делает этот материал предпочтительным для радиочастотных/микроволновых схем усилителей мощности.

Потери в материале печатной платы сказываются на величине коэффициента усиления и выходной мощности, которые могут быть достигнуты для данной схемы усилителя мощности. При этом потери в материале схемы зависят от толщины материала.

Например, в более толстых материалах печатных плат диэлектрические потери составляют большую часть общих потерь, тогда как в более тонких материалах печатных плат преобладают потери в проводнике. Выбор материалов для печатных плат с более низкими общими потерями может помочь оптимизировать характеристики усилителя мощности с точки зрения усиления и выходной мощности.

 

Рис. 4. Диаграмма теплового распределения для фильтра мощностью 50 Вт, материал RT/duroid 6035HTC.

 

Шероховатость медной поверхности материала печатной платы может приводить к повышению уровня потерь в проводнике. Опять же, это окажет большее влияние на общие потери на печатной плате для более тонких плат, чем для более толстых схем, где преобладают диэлектрические потери.

Создание усилителей мощности на материалах печатных плат с высокими потерями не только может лишить конструкцию выходной мощности и коэффициента усиления, но и усугубить проблемы обеспечения теплового режима, поскольку более высокие потери означают, что большая мощность через усилитель преобразуется в тепло. Одним из параметров материала, который служит надежным ориентиром для расчета температурного режима конструкции печатной платы PA, является максимальная рабочая температура (MOT) печатной платы, которую категорически нельзя превышать.

Тепло, выделяемое усилителем мощности, можно уменьшить, выбрав материал печатной платы с толщиной и потерями, оптимальными для ожидаемых уровней выходной мощности усилителя мощности. В противном случае должны быть предприняты меры по управлению температурным режимом, такие как добавление радиаторов к печатной плате, чтобы гарантировать, что MOT печатной платы не будет превышена.

Когда физический размер имеет решающее значение, тогда при выборе материалов для печатных плат для LNA и PA следует учитывать, что материалы с более высокими значениями Dk дают возможность миниатюризировать размеры схемы для заданного импеданса и диапазона частот. Длина волны проводника зависит от частоты и материала, а материалы печатных плат с более высокими значениями Dk приводят к тому, что структуры схемы работают на более коротких длинах волн.

Для различных элементов схемы, зависящих от длины волны, таких как антенны и фильтры, использование материалов схемы с более высоким Dk может привести к уменьшению размеров печатных плат. Коммерческие материалы печатных плат для ВЧ/СВЧ-приложений обычно имеют Dk в диапазоне от 2 до 6, поэтому материалами для схем с высоким Dk обычно считаются материалы с Dk от 6 или выше.

Например, материал схемы RO4360G2 от Rogers Corp. имеет Dk = 6,15 по оси Z на частоте 10 ГГц (с жестким допуском Dk ±0,15) с теплопроводностью 0,75 Вт/м-K и низким Df = 0,0038. Более высокое значение Dk материала позволяет создавать структуры, зависящие от длины волны, с меньшими размерами. Этот материал часто комбинируют с материалами схем с более низким значением Dk в многослойных платах, и его можно обрабатывать с помощью тех же технологий, что и для более дешевых материалов, подобных FR-4.

Материал схемы RO3210 от Rogers Corp. имеет еще более высокий Dk = 10,2 по оси Z на частоте 10 ГГц с допуском ±0,50, что обеспечивает очень низкие потери с Df = 0,0027 и немного более высокую теплопроводность, чем материал RO4360G2, 0,81 Вт/м-К..

Короче говоря, при проектировании ВЧ/СВЧ-усилителя — будь то LNA или PA — поиск подходящего материала для печатной платы включает рассмотрение многих параметров одних и тех же материалов с постоянным Dk, критически важным для поддержания стабильного импеданса, необходимого для обоих типов усилителей. Материалы плат, способные поддерживать Dk в минимальном допуске в широком диапазоне температур, могут обеспечить достижения низкого коэффициента шума и равномерного усиления, необходимых для конструкций высокочастотных LNA.

В случае конструкций PA материалы с узким Dk, стабильными тепловыми свойствами (включая TCDk и CTE) и низкими потерями (низкий Df) могут служить отличной отправной точкой для мощных усилителей, способных эффективно рассеивать выделяемое тепло.

 

 

Источник: www.mwrf.com