【选型】基于微带线微波传输功率,选择合适的微波高频板材
在微波功率放大器设计时,很多工程师对传输线的温度上升情况只有粗略的概念,不能具体的定量分析功率与传输线关系。不恰当的设计,可能导致传输线温度高,影响介质的微波性能,加速传输线氧化,影响传输信道性能。本文将使用ROGERS的软件MWI 2017,计算分析大功率信号通过微带线时,从温度升限角度,衡量微带线的耐受功率。
微波板材RT/duroid 5880以极低的介质损耗被广泛应用于高频信号传输上,下面以RT/duroid 5880设计的微带线为例,分析大功率信号对微带线温升的影响,从而衡量微带线功率的容限。
客户实例:输入信号频率18GHz,功率30w的连续波;微波板材使用厚度0.127mm, 型号RT/duroid 5880。 微带截面图如下。
使用软件MWI 2017计算,其对应的阻抗为50Ω的线宽为0.38mm,计算其介质损耗(dB/m)、导体损耗(dB/m)和温升(℃/W)与频率的关系如下图所示。
其中18GHz对应的介质损耗1.7 dB/m,导体损耗 11 dB/m,温升4.8℃/W。微带底面与室温+25℃保持一致,当30W功率的18GHz信号通过该微带时,微带线与底面铜层的温度差可以达到144℃,即微带线的温度达到169℃,与之紧贴的介质面温度也是169℃。
微波板材RT/duroid 5880的介电常数典型值为2.2,介电常数热变化率(测试温度-50℃~150℃)为-125ppm/℃。169℃下的数值需要专门测量,介电常数的实际数值可能是系统没法接受的,何况产品还需要工作在高温(一般高温60℃)环境下,产品能不能正常工作还是个未知数。所以厚度0.127mm的RT/duroid 5880板材,不能满足30W功率传输要求。
传输线温度升高的热源是微波信号的功率损耗 。所以,减少传输损耗,可以有效降低传输线温度上升。从上图中,可以看出,随着频率的增加,导体损耗快速上升,贡献了绝大部分损耗。在使用板材型号不变的情况下,降低导体损耗效果最显著的是适当增加板材厚度。
基于上述分析,在使用相同型号RT/duroid 5880板材的情况下,若厚度选择0.254mm,可以解决上述微带线传输功率容限的问题。使用软件MWI 2017计算0.254mm厚度的对应的阻抗为50Ω的线宽为0.78mm,计算其介质损耗(dB/m)、导体损耗(dB/m)和温升(℃/W)与频率的关系如下表所示。
其中18GHz对应的介质损耗1.7 dB/m,导体损耗 5.4dB/m,温升2.7℃/W。微带底面与室温+25℃保持一致,当30W功率的18GHz信号通过该微带时,微带线与底面铜层的温度差位81℃,与之紧贴的介质面温度也就是106℃。高温(一般60℃)时,传输线也可以正常工作。
当然,微波板材RT/duroid 5880的导热率只有0.2W/m/℃,热传导能力有限,适用于小功率信号。在大功率设计时,可以根据实际使用条件,选择导热系数较高的高频微波板材,例如RT/duroid 6035HTC,专为大功率微波信号应用设计,导热系数高达1.44W/m/℃,ROGERS其他型号板材的详细信息请参考《Rogers 高频印刷线路板材料选型指南》。
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产品型号
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品类
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产品系列
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介电常数(Dk)
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正切角损耗(Df)
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介质厚度(mm)(mil)
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导热系数W/(m·K)
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铜箔类型
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铜箔1厚度
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铜箔2厚度
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尺寸(inch)
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5880LZNS 24X18 H1/H1 R4 0100+-001/DI
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层压板
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RT/duroid® 5880LZ
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2
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0.0027
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0.254mm(10mil)
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0.33
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电解铜
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H1
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H1
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24X18
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选型表 - ROGERS 立即选型
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价格:¥2,989.4355
现货: 429
品牌:ROGERS
品类:High Frequency Circuit Materials
价格:¥554.2134
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品牌:ROGERS
品类:Liquid Crystalline Polymer Circuit Material
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现货: 253
品牌:ROGERS
品类:Antenna Grade Laminates
价格:¥2,571.9097
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品牌:ROGERS
品类:High Frequency Circuit Materials
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