微波放大器/毫米波放大器如何選擇PCB材料

5G代表了無(wú)線(xiàn)技術(shù)中最新最偉大的技術(shù)，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(lái)自地面****和軌道衛星的網(wǎng)絡(luò )接入。但是，通過(guò)仔細考慮機械和電氣要求，可以指定高頻電路材料，無(wú)論頻率如何，都可以實(shí)現5G功率放大器的設計和開(kāi)發(fā)。

      理想情況下，單個(gè)電路材料對于所有頻率的功率放大器都是一個(gè)恰當的起點(diǎn)。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(lèi)型，插入損耗或損耗因子或大或小。每個(gè)電路材料都會(huì )遭受一定量的損耗，損耗通常會(huì )隨著(zhù)頻率的增加而增加。給定電路材料的損耗性能在5G網(wǎng)絡(luò )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(zhù)頻率的增加信號功率會(huì )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(guān)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(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )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(gè)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(gè)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(yōu)質(zhì)、高性能、高頻率的功率放大器。

       無(wú)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(shí)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(dòng)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(wǎng)絡(luò )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(guò)嚴格控制基板厚度來(lái)實(shí)現，即基板厚度沒(méi)有變化差異；嚴格控制導體（如微帶傳輸線(xiàn)）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(shí)的Dk，來(lái)實(shí)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(xiàn)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(xiàn)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(zhù)頻率的增加，信號波長(cháng)會(huì )不斷減少，需要越來(lái)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(lài)于四分之一波長(cháng)傳輸線(xiàn)電路結構，這些結構的尺寸是基板厚度的函數。如果沒(méi)有嚴格控制電路基板厚度，很容易就可以理解極細傳輸線(xiàn)和電路結構的阻抗是如何隨著(zhù)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(wú)論是在微波頻率還是在毫米波頻段下，無(wú)論溫度變化是由來(lái)自運行環(huán)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(lái)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(shí)，找到能夠進(jìn)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(guān)重要，因為其自身的有源器件會(huì )導致熱量增加。評估材料的熱性能時(shí)，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(fā)熱有源器件（例如PA的功率晶體管）帶走。持續的熱流動(dòng)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(gè)pcb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(huì )隨溫度的改變而改變。但實(shí)際的電路材料Dk值會(huì )隨著(zhù)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(lài)于四分之一波長(cháng)的精細電路結構，這時(shí)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(cháng)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(huì )導致傳輸線(xiàn)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(cháng)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(huán)氧樹(shù)脂/玻璃（FR-4）工藝制造。