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5G微波和毫米波放大器用PCB材料

數百萬手機試圖進行語音連接,將大量的文件下載到全球范圍內的各個點,這一切都表明第五代(5G)無線通信網絡必將到來。5G即將到來,許多不同類型的高頻電路,包括功率放大器(power amplifier,簡稱PA),需要適當的電路材料。5G代表了無線技術中最新最偉大的技術,設計和制造都將面臨挑戰,當然電路板材料也面臨挑戰,因為它要在許多不同的頻率下運行,如6 GHz及以下,以及毫米波頻率(通常為30 GHz及以上)。它還將結合來自地面基站和軌道衛星的網絡接入。但是,通過仔細考慮機械和電氣要求,可以指定高頻電路材料,無論頻率如何,都可以實現5G功率放大器的設計和開發。

理想情況下,單個電路材料對于所有頻率的功率放大器都是一個恰當的起點。然而,不同頻率的放大器具有不同的設計要求,并且得到最適合于不同頻率的具有不同特性的電路材料的最佳支持。例如,根據電路材料的類型,插入損耗或損耗因子或大或小。每個電路材料都會遭受一定量的損耗,損耗通常會隨著頻率的增加而增加。給定電路材料的損耗性能在5G網絡中使用的微波頻率內可能是可以接受的,但在毫米波頻率范圍內是不可接受的,因為隨著頻率的增加信號功率會趨于降低。在微波頻率下提供高PA增益和輸出功率所需的低損耗電路材料可能不是毫米波頻率下PA的最佳材料選擇。

對于微波頻率,關鍵電路材料參數(介電常數Dk)的設計要求有很大不同,例如用于5G系統的6GHz及以下的微波頻率,以及用于5G無線網絡的短距離回傳鏈路的30GHz及以上毫米波頻率,其設計要求就有很大的不同。為每個頻段選擇最佳電路材料需要了解何種Dk值能夠最好地支持2個不同頻率范圍。然后找到具有這些Dk值的電路材料,并使其盡可能多地具備其他電路材料屬性,以制造出優質、高性能、高頻率的功率放大器。

無論對于微波頻率還是毫米波頻率,高頻PA的電路材料必須能夠支持電路實現與那些PA中功率晶體管阻抗的匹配。這種阻抗匹配對于低功率放大器中的有源器件,如驅動器放大器,甚至低噪聲放大器(LNA)也是必須的。

適用于這種阻抗匹配網絡的電路材料必須能夠將電路阻抗變化保持在最低范圍,通常通過嚴格控制基板厚度來實現,即基板厚度沒有變化差異;嚴格控制導體(如微帶傳輸線)的 寬度,以保持相同的阻抗;嚴格控制電路層壓板上的銅厚度;并嚴格控制電路材料的Dk,尤其是溫度變化時的Dk,來實現這一目標。盡管使用嚴格控制Dk的電路材料(例如3.50±0.05)可以幫助將高頻傳輸線的阻抗范圍維持在較小的范圍內,而這可能正是PA電路內的阻抗匹配所需要的,但是,基板厚度的變化可能對維持高頻傳輸線的阻抗一致影響更大。Dk公差為±0.05或更低的電路材料被認為是控制嚴格的Dk值。

隨著頻率的增加,信號波長會不斷減少,需要越來越小的電路特征。許多用于微波和毫米波頻率的PA電路結構,例如Doherty放大器,都依賴于四分之一波長傳輸線電路結構,這些結構的尺寸是基板厚度的函數。如果沒有嚴格控制電路基板厚度,很容易就可以理解極細傳輸線和電路結構的阻抗是如何隨著基板厚度的變化而變化的。通常,±10%或更小的基板厚度變化是嚴格控制電路材料厚度的標志。

感受熱

無論是在微波頻率還是在毫米波頻段下,無論溫度變化是由來自運行環境還是由PA自身的有源器件,如功率晶體管或IC造成的,PA電路都容易受到溫度變化帶來的性能變化的影響。在尋找適用于5G應用的微波和毫米波功率放大器的電路材料時,找到能夠進行有效熱管理的電路材料,對于降低功率放大器的性能變化至關重要,因為其自身的有源器件會導致熱量增加。評估材料的熱性能時,2種電路材料參數特別有用——熱導率和介電常數溫度系數(TCDk)。

高熱導率可以有效地將熱量從安裝在PCB上的任何發熱有源器件(例如PA的功率晶體管)帶走。持續的熱流動不僅能消除對晶體管的可靠性構成威脅的熱量,而且有助于最大限度地減少熱量導致的PA性能變化。人們認為0.5 W / mK或更高的熱導率有益于PCB材料。

TCDk是一個電路材料參數,用于標明該材料的Dk如何受溫度變化的影響。理想情況下,材料的TCDk為0 ppm /℃,即Dk不會隨溫度的改變而改變。但實際的電路材料Dk值會隨著溫度的變化而變化,對于電路材料而言,我們認為50ppm /℃的TCDk是很好的,Dk隨溫度的變化很小。對于5G系統中的放大器和其他電路依賴于四分之一波長的精細電路結構,這時候具有低TCDk值的電路材料將有助于最大限度地降低性能變化。

與低頻微波功率放大器和電路相比,毫米波功率放大器和電路所需的更短波長和更小的電路特征通常需要更薄的基板材料,并且需要保持嚴格的厚度公差,與較厚的材料相比,這些要求同樣重要。那些較薄的電路材料也可能比較厚的電路材料對其他電路材料特性(如銅表面粗糙度)的影響更敏感。銅表面粗糙度會導致傳輸線損耗和相位變化等電路效應,因此在5G微波和毫米波功率放大器中,對于波長較短、頻率較高的電路指定的任何電路材料,銅表面粗糙度應盡可能小。

例如,Rogers提供了兩種不同頻率范圍所需的厚度和其他特性都不同的各種材料。對于6 GHz及以下的5G 功率放大器,厚度為20密耳和30密耳的陶瓷基RO4385電路層壓板是一種低成本電路材料,可在很大溫度范圍內性能保持一致。在10GHz下Z軸Dk為3.48,公差嚴格控制在±0.05內。它們非常適合具有競爭性的應用,并且可以使用標準環氧樹脂/玻璃(FR-4)工藝制造。

對于毫米波頻率下的5G功率放大器,5密耳和10密耳厚的RO3003層壓板由PTFE和陶瓷填料組成。在10 GHz下Z軸Dk為3.0,公差嚴格控制在±0.04內。它們在更高的頻率下具有極低的損耗,這有助于從放大器電路中的有源器件獲得最大增益,即使在各種毫米波波段下,也有望用于未來5G無線網絡的許多回傳鏈路。

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