【应用】影响Doherty功率放大器性能的高频电路层压板选择研究

时间： 2018-03-25 来源：ROGERS

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RF/微波行业中使用的放大器类型和类别差异很大，原因很多，例如应用可能需要窄带或宽带，以及在各种频率范围内的低噪声或高输出功率。特定应用中最佳性能的实现，不仅受放大器配置的影响，与电路层压材料的选择也有很大关系。在无线通信应用中，对于在WiMAX和LTE等系统中的复杂通信信号必须以高峰均比（PAR）进行功率放大的情况，Doherty放大器因其高效放大RF/微波信号而被广泛应用。通过选择最适合放大器特性的PCB材料来设计和制造放大器，可以为广泛的无线通信应用实现最佳的Doherty放大器性能。

Doherty放大器将载波放大器与峰值放大器进行功率合并，两个放大器的偏置方式不同，载波放大器的处理方式与传统的AB类偏置放大器非常相似，大多数情况下都是供电的，而峰值放大器像C类放大器一样偏置，在需要峰值功率电平时才打开。由于采用C类放大器，Doherty放大器可以实现高增益和高输出功率。如图1展示了Doherty放大器及其组成部分的简单示意图，包括AB类载波放大器与C类峰值放大器。

图1 Doherty放大器的基本组件

Doherty放大器的性能很大程度上取决于PCB层压板的材料属性，其中要考虑的关键电路材料特性之一当然是介电常数（Dk），此外，了解Dk值在频率、温度和其他条件下的稳定性也很重要。Doherty放大器设计的关键特性是输入端为正交混合器，输出端为四分之一波长线和变压器，这些电路定义的功能强烈依赖于电路材料的Dk一致性以及设计者如何解决Dk潜在的不稳定性。大多数Doherty放大器采用PCB形式的微带传输线和电路结构，这些线和电路结构的波长是电路“有效Dk”的函数。

微带电路的有效Dk受许多不同电路材料特性的影响，包括沉积在电路层压介质材料上的铜表面粗糙度[1]。铜表面粗糙度会影响电路的相位响应，图2比较了不同RMS值的铜表面粗糙度对微带电路有效Dk的影响，微带传输线的电路基板材料相同，但是具有不同的铜类型与表面粗糙度。从图中可以看出，粗糙的铜表面会导致微带线的有效Dk增加。

图2 电路材料铜表面粗糙度对相同电路材料有效Dk值的影响

此外，设计Dk受工作频率、铜表面粗糙度和电路板厚度的影响，与相同材料的较厚电路相比，较薄的电路材料更受铜效应的影响。图3比较了同一电路材料的不同厚度以及频率对设计Dk的影响，可以看出，两种厚度的同一电路材料的设计Dk值随着频率的增加而逐渐减小。虽然大多数Doherty功率放大器并未用于宽带频率应用，但了解适用于特定频率范围的设计Dk非常重要。图3显示了ROGERS公司提供的一款被广泛用于RF功率放大器应用的电路材料RO4835™层压板的性能，其特性与多年以来一直被用于高功率射频电路的RO4350B™层压板几乎相同，但两者之间有一个关键的区别，即RO4835™材料长时间暴露在高温下时会抑制变化，而RO4350B™层压板虽然具有良好的长期老化特性，但RO4835™更为显著地提高了该性能。

图3 厚度与频率对设计Dk的影响

Dk公差是Doherty功率放大器设计的重要电路材料属性之一，它是衡量电路基板Dk值如何良好控制的标准，会考虑批次间的差异。对于RO4835™或RO4350B™层压板，当按照IPC-TM-650 2.5.5.5c在10 GHz下测试时，材料Dk值为3.48的误差控制在±0.05的公差范围内。

根据设计的灵活性，Dk公差对四分之一波长调谐结构的影响可能很大。图4比较了RO4835™电路材料和偶尔用于功率放大器的PTFE/陶瓷填充玻纤层压板，展示了具有更好Dk控制的基板的优势。从图中可以看出，RO4835™材料在3.5GHz时具有3.75的设计Dk值，并假定具有与带状线方法相同的±0.05的Dk公差，而竞品材料具有更宽的Dk公差，为±0.1，但通常更高。此外，图4中的相位角差表明，具有较差Dk控制的基于PTFE的竞品材料在3.5GHz处的相位角变化略大于RO4835™材料的两倍。

图4 具有不同Dk公差材料的比较及其对相角的影响

另一个对Doherty放大器设计至关重要的材料属性是TCDk，它是Dk随温度变化的程度。根据一般经验，TCDk为50 ppm/℃或更低（绝对值）的材料被认为是良好的，而RO4835™和RO4350B™层压板的TCDk为50 ppm/°C（测试温度为-50°C至+150°C）。理解电路材料TCDk对功率放大器的设计很重要，因为它们的功耗通常会导致工作温度范围很宽。

图5展示了射频功率放大器常用电路材料的TCDk和相对于室温温度的变化。如图5所示，尽管一些基于PTFE的电路材料在室温下表现出先天的TCDk特性，但RO4835™材料依然具有良好的TCDk特性。此外，基于PTFE的RO3003™层压板也具有良好的TCDk曲线，但这是因为该材料配有特殊填料，从而帮助其保持良好的TCDk性能。

图5 Doherty功率放大器设计和制造中常用的电路材料在宽温度范围内的TCDk特性

Doherty功率放大器已经为许多现代无线通信系统中使用的复杂调制信号的放大提供了解决方案，它们可以处理这些应用中所需的高PAR，并以高效率运行，以节省电力公用事业成本。Doherty功率放大器的最佳电路材料选择是通过对多种不同的关键材料属性进行分类并指定一种材料，以帮助确保可靠与长期的Doherty放大器性能。

参考文献：

[1] J.W. Reynolds, P.A. LaFrance, J.C. Rautio, and A.F. Horn III, “Effect of conductor profile on the insertion loss, propagation constant, and dispersion in thin high frequency transmission lines,” DesignCon 2010.

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承毅 Lv8. 研究员 2018-03-25

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