电子元件面对高功率电平

分享到:

发射机要求功率在限制范围内。一般来说,这些限制范围由政府机构规定,例如美国联邦通信委员会(FCC)制定的通信标准。但在“不受管制”系统中,比如雷达和电子战(EW)平台中,限制主要来自于系统中的电子元件。每个元件都有一个最大的功率极限,不管是有源器件(如放大器),还是无源器件(如电缆或滤波器)。理解功率在这些元件中如何流动有助于在设计电路与系统时处理更高的功率电平。

当电流流过电路时,部分电能将被转换成热能。处理足够大电流的电路将发热——特别是在电阻高的地方,如分立电阻。对电路或系统设定功率极限的基本思路是利用低工作温度防止任何可能损坏电路或系统中元件或材料的温升,例如印刷电路板中使用的介电材料。电流/热量流经电路时发生中断(例如松散的或虚焊连接器),也可能导致热量的不连续性或热点,进而引起损坏或可靠性问题。温度效应,包括不同材料间热膨胀系数(CTE)的不同,也可能导致高频电路和系统中发生可靠性问题。

热量总是从更高温度的区域流向较低温度的区域,这个原则可以用来将大功率电路产生的热量传离发热源,如晶体管或TWT。当然,从热源开始的散热路径应该包括由能够疏通或耗散热量的材料组成的目的地,比如金属接地层或散热器。不管怎样,任何电路或系统的热管理只有在设计周期一开始就考虑才能最佳地实现。

一般用热导率来比较用于管理射频/微波电路热量的材料性能,这个指标用每米材料每一度(以开尔文为单位)施加的功率(W/mK)来衡量。也许对任何高频电路来说这些材料最重要的一个因素是PCB叠层,这些叠层一般具有较低的热导率。比如低成本高频电路中经常使用的FR4叠层材料,它们的典型热导率只有0.25W/mK。

相反,铜(沉积在FR4上,作为地高平面或电路走线)具有355W/mK的热导率。铜具有很大的热流动容量,而FR4具有几乎可以忽略的热导率。为防止在铜传输线上产生热点,必须为从传输线到地平面、散热器或其它一些高热导率区域提供高热导率路径。更薄的PCB材料允许到地平面的路径更短,因为可以使用电镀过孔(PTH)从电路走线连接到地平面。

当然,PCB的功率处理能力是许多因素的函数,包括导体宽度、地平面间距和材料的耗散因数(损耗)。此外,材料的介电常数将确定在给定理想特征阻抗下的电路尺寸,比如50Ω,因此具有更高介电常数值的材料允许电路设计师减小其射频/微波电路的尺寸。也就是说,这些更短的金属走线意味着需要具有更高热导率的PCB介电材料来实现正确的热管理。

在给定的应用功率电平下,具有更高热导率的电路材料的温升要比更低热导率材料低。遗憾的是,FR4与许多具有低热导率的其它PCB材料没有什么不同。不过,电路的热处理能力和功率处理能力可以通过规定采用至少与FR4相比具有更高热导率的PCB材料加以改进。

例如,虽然还没到铜的热导率水平,但Rogers公司的几种PCB材料可以提供比FR4高得多的热导率。RO4350B材料的热导率是0.62W/mK,而该公司的RO4360叠层热导率可达0.80W/mK。虽然没有显著的提高,但与FR4叠层相比确实有了两至三倍的热/功率能力提升,可实现射频/微波电路所产生热量的有效耗散。这两种材料特别适合具有内置热源(晶体管)的放大器应用,它们都具有较低的热膨胀系数(CTE)值,因此能最大限度地减少随温度发生的尺寸变化。

许多商用计算机辅助工程(CAE)软件设计包能够在给定的应用功率电平和给定的电路参数设置条件下建模经过射频/微波电路的热量流动,包括PCB的热导率。这些软件设计包包含有许多单独的程序,比如Sonnet Software公司的电磁仿真(EM)工具、Fluent公司的IcePak软件、ANSYS公司的TAS PCB软件以及Flomerics公司的Flotherm软件。它们还包含许多设计软件工具套件,如安捷伦科技(Agilent)的高级设计系统(ADS)、Computer Simulation Technology公司(CST)的CST Microwave Studio以及AWR公司的Microwave Office。

这些软件工具甚至可以用来研究不同工作环境对射频/微波电路功率处理能力的影响,比如在飞机的低大气压力或高海拔环境下足够高功率电平下可能出现的电弧。这些程序还能通过对能量流经元件(如耦合器或滤波器)时的场分布情况建模,来提升分立射频/微波元件的功率处理能力。

当然,PCB材料并不是影响射频/微波电路或系统中热量流动的唯一因素。电缆和连接器对高频系统中 功率/热量的限制也是众所周知的。在同轴组件中,连接器通常可以比它所连接的电缆处理更多的热量/功率,而不同连接器具有不同的功率额定值。例如,N型连接器的功率额定值稍高于具有更小尺寸(和更高频率范围)的SMA连接器。电缆和连接器的平均功率和峰值功率都有额定值,峰值功率等于V2/Z,其中Z是特征阻抗,V是峰值电压。平均功率额定值的简单估算方法是将电缆组件的峰值功率额定值乘以占空比。

Astrolab公司等许多电缆供应商开发了专门的计算程序来计算他们的同轴电缆组件的功率处理能力。而Times Microwave Systems等一些公司则提供免费的可下载计算程序,这些程序可用于预测他们自己的不同类型同轴电缆的功率处理能力。

值得注意的是,这是对复杂主题的极其简单化处理。它还没有涉及材料击穿电压、PCB耗散因数(损耗因数)如何影响电路的功率处理能力、对PCB材料热膨胀系数(CTE)性能的影响以及连续波和脉冲能源之间发热效应区别等主题。

在元件、电路和系统内,还有许多复杂的现象可能影响到功率处理能力,包括具有“打开”和“关闭”状态的开关等可能具有不同射频/微波功率能力的元件。除了软件程序外,可用于热分析的工具还可以提供基于红外(IR)技术的热成像功能,可以用来安全地研究元件、电路和系统中的热量累积。这些热成像工具可以从多种来源获得,包括FLIR Systems公司和福禄克公司(Fluke)。

继续阅读
5G时代带动陶瓷PCB成长 --- GPS陶瓷天线调试方法

5G时代下,信号基站将会变得更密集,数量达到4G的100倍,包括终端接收装置的迭代升级同时带来的一系列的软硬件升级。陶瓷PCB作为当下或者近一世纪高频介质损耗最低的电路板,成为5G的掌上明珠是必然的,发展空间之大毋容置疑。

射频集成电路与数字电路之间的联系

单片射频器件大大方便了一定范围内无线通信领域的应用,采用合适的微控制器和天线并结合此收发器件即可构成完整的无线通信链路。它们可以集成在一块很小的电路板上,应用于无线数字音频、数字视频数据传输系统,无线遥控和遥测系统,无线数据采集系统,无线网络以及无线安全防范系统等众多领域。

毫米波多通道收发电路与和差网络高密度集成技术

相控阵天线的收发组件与和差网络通常是两个独立的模块,模块间通过接插件进行电连接,成本较高且集成度低。文中提出了毫米波多通道收发电路与和差网络一体化集成技术,将多通道收发组件与和差网络高密度集成在同一介质基板(PCB)上,芯片贴装界面与和差网络在不同层,射频和低频电路通过介质板层间和层内走线完成。最后制作 8×16 阵列进行无源测试验证,结果表明该一体化集成技术性能良好,具有小型化、轻量化、一体化高密度集成、制作成本低等特点,可广泛用于毫米波瓦式相控阵天线。

5G建设带动产业链发展 PCB板块率先受益

5G逐步进入建设阶段,产业成熟度逐渐提升,带动上游产业景气度提升。 一方面,5G手机在今年三季度逐步面世,产业链对后期投资乐观,产业巨头看好5G前景上调年度资本开支。另一方面,随着5G网络设备加速推进,设备端对于上游射频器件、PCB等集采在上半年已经陆续展开,也已经部分反映到相关公司中期业绩报表中,A股沪电股份、深南电路、生益科技等多股上半年业绩亮眼。 5G产业预期和行业高景气度推动相关产业链公司股价不断攀高。7月25日,生益科技、深南电路、沪电股份、鹏鼎控股均创下历史新高。

5G单基站射频侧PCB价值量约9120元,单基站价值量提升7倍以上

5G时代即将到来,第一批拥抱5G的企业在抓紧布局。本文从天线、滤波器、PCB、连接器等方向,深度探讨5G基站端射频产业链的发展新机遇。