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微波射頻設計中電子材料的選擇對熱管理的影響

2014-03-26 來源:佳工網 字號:
當然,在電路設計中,正確的熱管理并不只是簡單地選擇具有最佳熱屬性的電路層壓板。有許多其它因素會影響工作在給定功率電平和頻率的電路的溫度。例如,電路材料由耗散因數來表征,它是由介電材料引起的損耗。還有通過傳導性傳輸線(例如微帶線或帶狀線電路)的損耗,并且越高的插入損耗,將導致傳輸線在較高的功率電平下產生越多的熱量。PCB上銅導體的粗糙性會導致插損的增加,特別是在較高頻率時。

此外,PCB材料介電常數的選擇將決定微波/射頻電路的尺寸和密度,因為微波傳輸線結構的尺寸取決于要處理的信號波長。當相對介電常數較大時,達到給定阻抗所需的傳輸線的尺寸會較小,而PCB的功率處理能力將受限于導線的寬度和插損以及地平面間距。舉例來說,對于一個放大器電路,選擇具有較小相對介電常數的PCB材料,對于給定阻抗可以使傳輸線更寬,從而改善熱流。使用相對介電常數較大的PCB材料,將導致更細的傳輸線尺寸和間距更密的電路,因而在大功率電路中可能形成熱點。另外,選擇低耗散因數的材料,有助于最大程度地減小傳輸線的插損,并優化放大器電路的增益。

借助免費的MWI 2010微波阻抗計算器軟件,我們仿真了幾種不同PCB層壓板在大功率電平下使用時的特性,并把MOT作為決定每種材料實際能夠處理的最大射頻功率的關鍵參數。每種材料的MOT假設為+105℃。在每個計算用例中,使用的環境溫度都是+25℃(室溫),同時,針對不同的功率電平,對環境溫度以上的溫升作了預測。每種材料上都使用2盎司的銅作為導電疊層,制作了相同的20mil厚、50Ω微帶線測試電路。在把高Tg FR-4層壓板與Rogers公司的RO4350B層壓板相比較后可以發現,在800MHz時,對于可比的溫升,功率處理能力的預測差異非常顯著(圖2)。在射頻功率電平約40W時,FR-4相對于環境的溫升約為+75℃;而RO4350B層壓板相對環境溫升約+77℃時的射頻功率幾乎接近250W。

微波射頻設計中電子材料的選擇對熱管理的影響

圖2:MWI 2010微波阻抗計算器的預測表明,與工作在800MHz的高Tg值FR-4和RO4350B層壓板相比,RT/duroid 6035HTC的高熱導率轉換成更高的功率處理能力

把RT/duroid 6035HTC層壓板增加到2GHz更高頻率的MWI 2010仿真中,并假設電路與材料(2盎司銅)條件與800MHz仿真時相同,在溫升高于環境溫度接近+90℃時,FR-4實際表現出較低的功率處理能力(約25W);而工作在2GHz的RO4350B對于約150W的射頻功率,顯示出接近+85℃的溫升(圖3)。RT/duroid 6035HTC專門針對大功率使用而設計,經過這些MWI 2010仿真表明,它在2GHz頻率、350W射頻功率以上工作時,相對環境的溫升僅超過+80℃。這些仿真使我們不僅更加意識到了RT/duroid 6035HTC層壓板在大功率電平下的期望能力,而且更加認識了另外兩種材料的功率處理能力對頻率的依賴性。

微波射頻設計中電子材料的選擇對熱管理的影響

圖3:這些仿真結果表明,與工作在2GHz的高Tg FR-4和RO4350B層壓板相比, RT/duroid 6035HTC的高熱導率能轉換成更高的功率處理能力。

當上述三種材料用相同測試電路進行測試,但每種電路接收相同頻率和功率電平的測試信號時,高Tg FR-4展現出最高的溫升——達到+109℃(+229℉)或相對環境溫度升高了+84℃;RO4350B層壓板的溫升為+56℃,從+25℃上升到了+82℃(+180℉);RT/duroid 6035HTC在相同測試條件下,相對環境的溫升僅為+36℃(從+25℃到+62℃)。

在所有其它測試條件相同的情況下,我們對Rogers RO4003C層壓板和采用1盎司ED銅和2盎司ED銅的RT/duroid 6035HTC層壓板作了進一步測試。該測試揭示了非常有趣的銅表面影響力的結果。當測試頻率為800MHz(圖4),所有三種層壓板相對環境溫度的溫升達到+80℃時,采用2盎司ED銅的RO4003C層壓板所需的功率約為280W,采用2盎司ED銅的RT/duroid 6035HTC所需功率約為700W,采用1盎司銅的RT/duroid 6035HTC所需功率接近800W。當測試頻率為2GHz(圖5)、溫升相同的條件下,RO4003C的功率處理能力下降至約140W,采用2盎司銅的RT/duroid 6035HTC的功率處理能力約380W,而采用1盎司銅的RT/duroid 6035HTC的功率處理能力超過400W。采用1盎司銅的RT/duroid 6035HTC的性能超過更厚覆層的相同電介質的原因是,前者具有更光滑的銅表面(因而具有更小的插損)。

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