Packing Power Into Microwave PCBs

射频/微波功率放大器的设计可以选取分立晶体管或单片微波集成电路(MMICs)等有源器件实现。但在进行放大器电路设计时，不能忽视PCB材料的重要性。电路材料对功率放大器的设计影响可好可坏。为提高功率放大器性能，首先要了解对于功放设计哪些PCB材料的参数是非常重要的。当然，一种较好的功率放大器电路材料应当实现良好的射频微波特性，并具备良好的时间及温度稳定性，还应当能有效传导功率放大器中有源器件产生的热量。

理论上，固态功率放大器的电路材料作为传输线的基础，其构成了有源器件输入、输出端口所需的匹配阻抗，优化了器件输入、输出高频信号的增益和功率。对于功率放大器的设计者，介电常数是筛选合适PCB材料的着手点。选择介电常数不是选择某个特定介电常数值，而是考虑介电常数在整个材料和电路的工作温度区间的稳定性。功放设计人员非常了解不可能有100%效率的功率放大器，因此它也会产生热量。这些产生的热会造成功放温度的改变从而会影响电路材料的介电常数值，进一步将影响功率放大电路有源器件输入输出口匹配电路的阻抗产生失配。

为寻求功率放大电路中稳定的传输线阻抗，功率放大器的设计者通常倾向于寻找在整个材料上介电常数值受严格控制的材料，而不是具备特殊介电常数取值的材料。商用电路材料都表现出不同层度的介电常数偏差，但对功放应用，理想的介电常数偏差应该不超过目标值的±1.5%。这种介电常数的一致性有利于保持固定的匹配阻抗值，实现PCB上有源器件或功率放大器的最大输出功率。

相比于介电常数一致性，另一重要的参数应是PCB材料厚度的一致性，即基板的厚度偏差。如同介电常数造成的阻抗变化，PCB材料厚度的变化也将导致传输线阻抗的变化。这意味着功率放大器的实际性能可能与设计计算或者电脑辅助设计仿真的性能不一致。具备较好厚度一致性或厚度偏差小的PCB材料能严格控制传输线和其他电路结构的阻抗，也能保证功率放大器的预期性能及一致性。虽然商用PCB材料的厚度偏差在整个工业领域各不相同，但偏差值控制在10%以内将有助于维持功率放大电路传输线和匹配电路阻抗的一致性。

不管PCB材料的厚度是厚是薄，厚度对维持功率放大电路中匹配电路阻抗的一致性具有不可或缺的作用。例如，导体的铜箔宽度和厚度的差异将转换为阻抗的差异。相比于厚的电路材料，导体宽度和厚度变化对在较薄的电路材料上的阻抗影响更加显著。但是，厚的电路材料会在其他方面影响功率放大器的设计，因为较厚的电路材料比薄的会产生更严重的辐射损耗。

对于低噪声放大器和功率放大器，实现PCB上电路的低插入损耗也是非常有好处的。PCB的插入损耗包含诸多成分，比如导体损耗、介质损耗、辐射损耗和泄露损耗等。对于较薄的PCB电路，导体损耗占PCB插入损耗的主要部分；而对于厚的PCB电路，介质损耗则占PCB插入损耗的主要部分。选择低的损耗因子有利于减小厚PCB材料的介质损耗。

材料的其他电路参数，诸如导体的铜箔表面粗糙度也会影响其插入损耗。铜箔表面越粗糙，损耗将越高。相比于厚的PCB电路，铜表面粗糙度对薄的PCB电路插入损耗的影响更加显著。从这个角度来讲，选用较平整铜箔表面粗糙度的PCB材料有利于减小粗糙度造成的导体损耗。为功率放大器及低噪声放大器寻找低损电路材料时，应权衡导体厚度和介质厚度等因子对不同损耗成分的影响，以实现可接受损耗性能。

当然，考虑到电路产生的热量，固态功率放大器应该制作于热性能良好的电路材料上。PCB材料的热性能参数包括热导率、热膨胀系数（CTE）及介电常数温度系数（TCDK）等。高的热导率有利于功率放大器中有源器件的内部热量传导并将热量转移到散热器及其他散热体。功率放大器工作于大功率条件而产生温升时，良好的TCDK有利于抑制介电常数随温度变化从而减小造成的功率放大器性能的降低。

考虑到这些材料参数，哪种商用电路材料可以满足功率放大器设计的不同要求呢？罗杰斯公司(www.rogerscorp.com)提供的RO4835™电路材料是一个非常好的选择。首先，该材料在10GHz时，z向介电常数为3.48。整个材料的介电常数偏差为±0.05，有助于控制传输线阻抗的一致性。其次，RO4835™层压板能够保持稳定的介电常数，测试数据表明在-100°C到 +250°C的非常宽的温度内z向介电常数温度系数仅为+50 ppm/°C。第三，该电路材料也具备高达0.66 W/m/K的热导率，能控制和帮助扩散固态功率放大器中有源器件产生的热量。再者，RO4835™层压板在10GHz时，z向的损耗因子为0.0037。这有利于减小有源器件中因材料损耗产生的热量。最后，该材料符合RoHS标准，并与标准FR-4电路加工工艺兼容。

当然，这只是用于构建高频功率放大器的PCB材料的一个典型例子。当比较不同的备选PCB材料时，应该对比电路材料的如下参数，包括较小的基底厚度偏差、较小的介电常数偏差、低插入损耗（低损耗因子）、高热导率以及低TCDK。此外，严格控制铜导体镀层厚度和铜导体宽度的偏差同样有利于控制导体损耗和阻抗差异，以实现更优的功率放大器性能。

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