【应用】2.5GHz，250W-300W单级运行系统TC/Dk/Df最优的高频PCB材料选型

时间： 2018-04-02 来源：Rogers

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在无线网络基础设施中常使用固态器件用于功率放大器，固态高频元件也是国防和电信市场上通过无线电波传输信息的主要手段。然而，在电力和热应用中逐渐出现使用固态RF能源的新途径。新设计采用更高效的固态RF功率放大器模块和控制器来替代过时的磁控管，与用于烹饪的磁控管相比，固态RF能源具有以下优点：

（1）频率、相位变化和分辨率；

（2）前向和反射功率的反馈；

（3）加载独立的电力传输效率；

（4）一致性和可重复性。

而这项技术主要面临的问题在经济和供应链方面。因此，建立了RF能源联盟（RFEA），从而对固态RF能源组件、模块和应用接口进行标准化，以解决以下问题：

（1）降低系统成本；

（2）最小化设计复杂性；

（3）简化应用集成；

（4）增加市场的采用和增长。

本文主要介绍了在微波烹饪等小型设备中高频PCB材料选择。

航空雷达系统和广播电视放大器等高功率电子设备的设计，已经转向电气参数来管理RF损耗引起的高功率效应。通过使用低介电常数（Dk）和低损耗角正切的材料，将插入损耗降至最低，并且限制整体温升。这种方法能够取得良好的效果得益于无线通信基础设施设计人员采用陶瓷填充材料，但其没有考虑衬底热导率（TC）能够保持电路温升最小值的优点。RF烹饪应用所面临的下一个挑战是需要开发在2.5GHz时以250W至300W单级运行的系统，这么多能量会产生大量的热量，因此，寻找最佳的、具有成本效益的解决方案需要增加考虑TC的优势以及选择合适的新材料。

ROGERS公司的MWI阻抗计算器可以非常方便对材料进行比较，除了计算给定材料的阻抗/线宽外，还提供插入损耗（考虑铜箔粗糙度）的计算以及基于工作频率的RF温升的保守估计。

例如图1是通过这个工具计算出来的ROGERS不同材料的参数及应用：

（1）RT/duroid® 5880层压板（PTFE/随机玻纤）：它具有最佳的电性能，低Dk和非常低的损耗角正切/损耗因子（Df），主要用于航空航天/国防市场；

（2）RO4350B™层压板（热固性树脂/玻璃纤维/陶瓷填料）：它广泛用于无线基础设施中的功率放大；

（3）RO3003™层压板（PTFE/陶瓷填料）：提供商业级材料的最佳射频性能；

（4）TC350™层压板（PTFE/编织玻璃/陶瓷填料）：最高热传导性材料，商业级；

（5）RT/duroid 6035HTC（聚四氟乙烯/陶瓷填料）：市场上TC最高的材料，航空/防静电等级。

图1：ROGERS各个系列材料Dk、Df和TC等特性

对于工作在250W/2.5GHz、在1盎司铜箔0.030“电介质上的50Ω传输线，温升和插入损耗的计算如图2所示。从该组材料中可以发现，电气性能好的材料热性能可能并不好，这是由于它的TC比较低。RO4350B材料的温升与最佳电气性能一致，TC为0.62，这足以弥补Dk和Df的显著增加。与大多数无线基础设施基站一样，在100W或更低的功率水平下，RO4350B很好地平衡了性能和成本，但达到250W时可能需要另一种解决方案来满足保持总体温升低于100°C的建议。

图2 MWI软件计算温升和插入损耗

要获得高功率的最佳性能，需要高TC和低Df的组合，RO3003层压板和TC350层压板为这个问题提供了独特的方法。RO3003材料是一种TC较高但损耗非常低的材料，TC350材料的TC比RO3003更高，但Df也相应增加。最终，两种商业级产品的比例互相都在15％以内。在功能上，最好的解决方案是使用RT/duroid 6035HTC层压板，其Df低且TC高，这种配置的温升小于40°C，但它与RT/duroid 5880层压板一起的成本最高，因此它们主要设计用于具有高产品配置和低体积需求的航空航天/国防应用。

为了验证建模数据的有效性，Rogers使用Kaelus的PIM测试设备的电源以产生稍高于25W@1.9GHz的几瓦特信号，并测量0.020“材料上50Ω微带线的温度上升，并将其作为输入功率的函数。在此评估中，使用了RT/duroid 5880、RO4350B和RT/duroid 6035HTC材料，结果如图3所示。可以看出，RT/duroid 5880和RO4350B材料具有相似的响应（相互之间的比例在10％至15％之间），而RT/duroid 6035HTC与以前的材料相比其价值只有三分之一。该实验为发热问题提供了技术解决方案，并且在RFEA的支持下，能够解决经济问题。

图3 温升与输入功率的关系

设计用于微波炉的具有固态器件的高功率放大器，所选材料不仅需要具有优异的RF性能，还应该具有高TC以解决热问题。这项技术的解决方案现在已经可投入使用了，但仍需不断研究发展，以促进主流市场接受度并降低制造成本。

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三3三 Lv8. 研究员 2018-04-02

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产品型号	品类	产品系列	介电常数（Dk）	正切角损耗（Df）	介质厚度(mm)(mil)	导热系数W/(m·K)	铜箔类型	铜箔1厚度	铜箔2厚度	尺寸(inch)
5880LZNS 24X18 H1/H1 R4 0100+-001/DI	层压板	RT/duroid® 5880LZ	2	0.0027	0.254mm(10mil)	0.33	电解铜	H1	H1	24X18