功分器和耦合器如何選擇高頻PCB材料

                           功分器和耦合器如何選擇高頻PCB材料

       功分器和合路器是最常用/最常見(jiàn)的高頻器件，對于耦合器例如定向耦合器來(lái)說(shuō)也是如此。這些器件用于功分、合路、耦合來(lái)自天線(xiàn)或系統內部的高頻能量，且損耗和泄露很小。高頻PCB板材的選擇對于這些器件實(shí)現所預想的性能來(lái)講是一個(gè)關(guān)鍵因素。當設計和加工功分器/合路器/耦合器時(shí)，理解PCB材料的性能如何影響這些器件最終的性能是很有幫助的，例如：能夠幫助對選定板材的一系列不同性能指標做出限制，包括頻率范圍，工作帶寬，功率容量。

        許多各種不同的電路用于設計功分器（反過(guò)來(lái)用即是合路器）和耦合器，它們具有各種不同的形式。功分器有簡(jiǎn)單的雙路功分以及復雜的N路功分，視系統實(shí)際的需要而定。很多不同的定向耦合器以及其他類(lèi)型的耦合器近些年來(lái)也有很****展，包括威爾金森和阻性功分器以及蘭格耦合器和正交混合節電橋，它們有很多不同的形式和尺寸。在這些電路設計中選擇合適的PCB材料有助于其達到最佳的性能。

        這些不同的電路類(lèi)型都會(huì )折衷考慮設計的結構和性能，幫助設計者針對不同的應用選擇板材。威爾金森雙路功分器，是通過(guò)單一的輸入信號來(lái)提供雙路相等幅度和相位的輸出信號，實(shí)際上是一個(gè)“無(wú)耗”電路，設計使得其提供一對比原信號小3dB（或者說(shuō)是原信號一半）的輸出信號（功分器每個(gè)端口的輸出功率是隨著(zhù)輸出端口數的增加而減?。?。相比來(lái)說(shuō)，阻性的雙路功分器則提供一對比原信號小6dB的輸出信號。阻性功分器中在每條支路增加的阻抗增加了損耗，但也增加了兩路信號之間的隔離。

        和許多電路設計一樣，介電常數（Dk）一般都是選擇不同高頻PCB材料的起點(diǎn)，并且功分器/功率合成器的設計者一般都傾向于采用高介電常數（Dk）的電路材料，因為這些材料相比于低介電常數材料來(lái)說(shuō)可以在更小尺寸的電路上提供有效的電磁耦合。高介電常數的電路存在一個(gè)問(wèn)題，即電路板中的介電常數存在各向異性或者說(shuō)在x，y，z方向上電路板材的介電常數值均不同。在同一方向上的介電常數變化很大時(shí)，同樣很難得到阻抗均一的傳輸線(xiàn)。

       保持阻抗不變性在實(shí)現功分器/合路器特性時(shí)十分重要，介電常數（阻抗）的變化會(huì )導致電磁能量和功率分配的不均勻。幸運的是，存在具有優(yōu)越各向同性的商業(yè)PCB材料可以用于這些電路中，如TMM 10i電路材料。這些材料具有相對高的介電常數值9.8，并且在三個(gè)坐標軸方向上保持在9.8+/-0.245的水平上（在10GHz下測量）。這也可以理解成，功分器/合路器和耦合器的傳輸線(xiàn)中，均一的阻抗特性可以使得器件中電磁能量的分配恒定并且可測。對于更高介電常數的PCB材料，TMM 13i層壓板具有12.85的介電常數并且在三個(gè)軸的變化在+/-0.35以?xún)龋?0GHz）。

       當然，在設計功分器/功率合成器以及耦合器時(shí)，恒定的介電常數以及阻抗特性只是高頻PCB材料參數的其中之一需要考慮的。當設計功分器/合路器或耦合器電路時(shí)，最小化插入損耗通常是一個(gè)重要的目標，理想情況下，一個(gè)雙路的威爾金森功分器可以提供給兩個(gè)輸出端口-3dB或一半的輸入電磁能量。實(shí)際上，每個(gè)功分器/合路器（和耦合器）電路都會(huì )有一定的插入損耗，通常依賴(lài)于頻率（當頻率升高損耗也升高），所以對于一個(gè)功分器/合路器的設計來(lái)說(shuō)，PCB材料的選擇需要考慮如何控制，使得電路的插入損耗最小。

       在無(wú)源高頻器件如功分器/合路器或耦合器中，插入損耗實(shí)際上是很多損耗的總和，包括介質(zhì)損耗，導體損耗，輻射損耗以及泄露損耗。其中的一些損耗可以通過(guò)精心的電路設計來(lái)加以控制，它們也有可能依賴(lài)于PCB材料的特性并且可以通過(guò)合理地選擇PCB材料來(lái)使其損耗最小。阻抗不匹配（即駐波比損耗）可以導致?lián)p耗，但是可以通過(guò)選擇恒定介電常數的PCB材料來(lái)減小。

       最小化損耗在設計高功率值的功分器/合路器和耦合器中非常關(guān)鍵，因為在高功率下?lián)p耗會(huì )轉化為熱量并消散在器件和PCB材料中，而熱量會(huì )對材料的介電常數值（和阻抗值）產(chǎn)生影響。

       總之，當設計和加工高頻功分器/合路器和耦合器時(shí)，高頻PCB材料的選擇應該基于很多不同的關(guān)鍵材料特性，包括介電常數值，材料中介電常數的連續性，環(huán)境因素如溫度，減小材料的損耗包括介質(zhì)損耗和導體損耗以及功率容量。針對具體的應用選擇PCB材料有助于設計高頻功分器/合路器或耦合器時(shí)取得成功。