【选型】为实现低相位噪声选择不同的层压板材料时，该对比哪些电路材料参数呢？

时间： 2016-03-05 来源：微波杂志

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长期以来，相位噪声是振荡器、频率合成器以及雷达和通信接收器等高频系统的一个重要参数。许多著作或论文中提到的抑制相位噪声方法都通过减小不同类型振荡器或频率合成器的相位噪声来实现。然而在实现低相位噪声性能过程中，PCB材料的作用常被忽视。在电路设计中，PCB材料的选用对于信号单边相位噪声的值有极大的影响。了解PCB材料及与相位噪声相关的参数将对在某一给定频率选择某一特性电路层压板实现低相位噪声的电路设计大有裨益。

在许多系统中，相位噪声是从晶体振荡器或者其他频率参考源中产生的。从时域来看，相位噪声表现为抖动，对于数字电路系统，大的抖动将使得比特误码率恶化。高Q值的晶体谐振器能够产生稳定的频率信号，且其相位噪声低或相位变化极小。但晶体振荡器和其他类型频率源的相位噪声不仅仅依赖于谐振器，放大电路中的有源器件和滤波电路中的无源器件在不同条件下均可产生一定程度的相位噪声。当所有器件装配在PCB材料上时，相位噪声的性能也将取决于PCB材料的特性。

为低相位噪声的应用选用不同的层压板材料时，应该对比哪些电路材料参数呢？简单的说，有助于降低相位噪声的电路材料必须具备优良的介电常数及温度特性。相比于介电常数的取值，同一块板上介电常数的均一性以及多板之间介电常数的均一性将显得更加重要。

在单个电路板上，介电常数的差异将导致传输线、接口及电路其他部分产生额外的阻抗差异。在预期获得低相位噪声的振荡器设计中，介电常数的过度差异将使得振荡器中的有源器件（比如高电子迁移率的晶体管器件）产生额外的阻抗差异从而产生更高的相位噪声。在选取低相位噪声电路材料时，选用介电常数极小偏差的材料是设计的基本出发点。罗杰斯公司提供非常小的Dk偏差PCB材料，如RO4835™碳氢化合物陶瓷层压板，在10GHz时Z向的介电常数值Dk为3.48，Dk偏差为±0.05。这种Dk均一的，偏差非常小的材料有利于维持高频电路阻抗的均一性，以避免阻抗失配引起的相位噪声。

相位噪声对热量和温度变化也是非常敏感的。对于预期获得低相位噪声应用的PCB材料，控制材料的热传导和温度也是必要的。考虑到同小偏差介电常数的关系，符合要求的电路材料的介电常数应随温度的变化越小越好。对于不同的层压板材料，Dk随温度的变化可以通过介电常数的热系数指标来判断。例如对于RO4835电路材料，在-100°C到 +250°C范围时，该材料的Z向介电常数的热系数为+50 ppm/°C。这意味着介电常数值的确将随温度的升高而增大，但其增幅控制得非常小。

作为低相位噪声应用的电路材料应该具有尽可能高的热导率（与极小的Dk偏差特性一起），高的热导率有利于振荡器中晶体管及电路中其他有源器件实现高效的散热。不充分的热导率会导致热量在电路中累积，不管对于内部源还是外部源（输入信号），这都将增加电路的相位噪声。

不同电路材料的热导率的差异值较大，其选用与否通常需要权衡其他材料参数。RO4835电路材料在+80°C的热导率为0.66 W/m/K，该热导率已经相当高了。但和罗杰斯公司RT/duroid® 6035HTC电路材料1.44 W/m/K的热导率相比，RO4835的散热性能就一般了。RT/duroid® 6035HTC电路材料的热导率约为RO4835的三倍。这意味着RT/duroid® 6035HTC具备更强的散热能力，这有利于防止电路“热点”形成而恶化相位噪声。在10GHz时，RT/duroid 6035HTC材料的Z向介电常数为3.50，偏差为±0.05。这使RT/duroid 6035HTC成为低相位噪声电路应用中一种可行的PCB材料。

其他具备更小介电常数偏差的电路材料也是可供选用的，比如罗杰斯RT/duroid 5880层压板。在10GHz时，该材料的Z向介电常数值为2.20 ，偏差仅为±0.02。但作为低相位噪声应用选择PCB材料时，还应该综合权衡其他参数。尽管RT/duroid 5880具备极小的介电常数偏差，但该材料在其他方面却不利于降低相位噪声。RT/duroid 5880的热导率仅为0.2 W/m/K，相比于前文所述的两种电路材料，RT/duroid 5880不具备良好的散热能力，这不利于抑制热效应和电路“热点” 的产生从而抑制相位噪声。

相位噪声会对许多不同电路系统的性能产生极大的影响。在通信系统中，相位噪声会扰乱数字调制；在雷达系统中，相位噪声会降低接受目标信息的准确率。电路中相位噪声受许多不同因素的影响，包括电路振荡器中使用的有源器件的偏置条件，也包括PCB材料的影响。选择PCB材料时需要记住“稳定性”一词。PCB材料能够减小相位噪声（或者说至少不增加），这种稳定性既包括介电常数随温度变化的稳定性，也包括利于降低热噪声的高效的材料热传导性。维持电路板中热流耗散的均一有利于实现介电常数的稳定性以及降低相位噪声所需要的其他的热条件的稳定性。当然，任何PCB材料的选用都是对不同参数综合权衡。然而，选取具备极小的介电常数偏差和良好热量控制特征的PCB材料是一个非常好的出发点。

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若尘 Lv6. 高级专家 2018-11-09

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