5G微波和毫米波放大器用PCB材料

作者：John Coonrod，Rogers公司技术市场经理

数百万手机试图进行语音连接，将大量的文件下载到全球范围内的各个点，这一切都表明第五代（5G）无线通信网络必将到来。5G即将到来，许多不同类型的高频电路，包括功率放大器（power amplifier，简称PA），需要适当的电路材料。5G代表了无线技术中最新最伟大的技术，设计和制造都将面临挑战，当然电路板材料也面临挑战，因为它要在许多不同的频率下运行，如6 GHz及以下，以及毫米波频率（通常为30 GHz及以上）。它还将结合来自地面基站和轨道卫星的网络接入。但是，通过仔细考虑机械和电气要求，可以指定高频电路材料，无论频率如何，都可以实现5G功率放大器的设计和开发。

理想情况下，单个电路材料对于所有频率的功率放大器都是一个恰当的起点。然而，不同频率的放大器具有不同的设计要求，并且得到最适合于不同频率的具有不同特性的电路材料的最佳支持。例如，根据电路材料的类型，插入损耗或损耗因子或大或小。每个电路材料都会遭受一定量的损耗，损耗通常会随着频率的增加而增加。给定电路材料的损耗性能在5G网络中使用的微波频率内可能是可以接受的，但在毫米波频率范围内是不可接受的，因为随着频率的增加信号功率会趋于降低。在微波频率下提供高PA增益和输出功率所需的低损耗电路材料可能不是毫米波频率下PA的最佳材料选择。

对于微波频率，关键电路材料参数（介电常数Dk）的设计要求有很大不同，例如用于5G系统的6GHz及以下的微波频率，以及用于5G无线网络的短距离回传链路的30GHz及以上毫米波频率，其设计要求就有很大的不同。为每个频段选择最佳电路材料需要了解何种Dk值能够最好地支持2个不同频率范围。然后找到具有这些Dk值的电路材料，并使其尽可能多地具备其他电路材料属性，以制造出优质、高性能、高频率的功率放大器。

无论对于微波频率还是毫米波频率，高频PA的电路材料必须能够支持电路实现与那些PA中功率晶体管阻抗的匹配。这种阻抗匹配对于低功率放大器中的有源器件，如驱动器放大器，甚至低噪声放大器（LNA）也是必须的。

适用于这种阻抗匹配网络的电路材料必须能够将电路阻抗变化保持在最低范围，通常通过严格控制基板厚度来实现，即基板厚度没有变化差异；严格控制导体（如微带传输线）的 宽度，以保持相同的阻抗；严格控制电路层压板上的铜厚度；并严格控制电路材料的Dk，尤其是温度变化时的Dk，来实现这一目标。尽管使用严格控制Dk的电路材料（例如3.50±0.05）可以帮助将高频传输线的阻抗范围维持在较小的范围内，而这可能正是PA电路内的阻抗匹配所需要的，但是，基板厚度的变化可能对维持高频传输线的阻抗一致影响更大。Dk公差为±0.05或更低的电路材料被认为是控制严格的Dk值。

随着频率的增加，信号波长会不断减少，需要越来越小的电路特征。许多用于微波和毫米波频率的PA电路结构，例如Doherty放大器，都依赖于四分之一波长传输线电路结构，这些结构的尺寸是基板厚度的函数。如果没有严格控制电路基板厚度，很容易就可以理解极细传输线和电路结构的阻抗是如何随着基板厚度的变化而变化的。通常，±10%或更小的基板厚度变化是严格控制电路材料厚度的标志。

感受热

无论是在微波频率还是在毫米波频段下，无论温度变化是由来自运行环境还是由PA自身的有源器件，如功率晶体管或IC造成的，PA电路都容易受到温度变化带来的性能变化的影响。在寻找适用于5G应用的微波和毫米波功率放大器的电路材料时，找到能够进行有效热管理的电路材料，对于降低功率放大器的性能变化至关重要，因为其自身的有源器件会导致热量增加。评估材料的热性能时，2种电路材料参数特别有用——热导率和介电常数温度系数（TCDk）。

高热导率可以有效地将热量从安装在PCB上的任何发热有源器件（例如PA的功率晶体管）带走。持续的热流动不仅能消除对晶体管的可靠性构成威胁的热量，而且有助于最大限度地减少热量导致的PA性能变化。人们认为0.5 W / mK或更高的热导率有益于PCB材料。

TCDk是一个电路材料参数，用于标明该材料的Dk如何受温度变化的影响。理想情况下，材料的TCDk为0 ppm /℃，即Dk不会随温度的改变而改变。但实际的电路材料Dk值会随着温度的变化而变化，对于电路材料而言，我们认为50ppm /℃的TCDk是很好的，Dk随温度的变化很小。对于5G系统中的放大器和其他电路依赖于四分之一波长的精细电路结构，这时候具有低TCDk值的电路材料将有助于最大限度地降低性能变化。

与低频微波功率放大器和电路相比，毫米波功率放大器和电路所需的更短波长和更小的电路特征通常需要更薄的基板材料，并且需要保持严格的厚度公差，与较厚的材料相比，这些要求同样重要。那些较薄的电路材料也可能比较厚的电路材料对其他电路材料特性（如铜表面粗糙度）的影响更敏感。铜表面粗糙度会导致传输线损耗和相位变化等电路效应，因此在5G微波和毫米波功率放大器中，对于波长较短、频率较高的电路指定的任何电路材料，铜表面粗糙度应尽可能小。

例如，Rogers提供了两种不同频率范围所需的厚度和其他特性都不同的各种材料。对于6 GHz及以下的5G 功率放大器，厚度为20密耳和30密耳的陶瓷基RO4385电路层压板是一种低成本电路材料，可在很大温度范围内性能保持一致。在10GHz下Z轴Dk为3.48，公差严格控制在±0.05内。它们非常适合具有竞争性的应用，并且可以使用标准环氧树脂/玻璃（FR-4）工艺制造。

对于毫米波频率下的5G功率放大器，5密耳和10密耳厚的RO3003层压板由PTFE和陶瓷填料组成。在10 GHz下Z轴Dk为3.0，公差严格控制在±0.04内。它们在更高的频率下具有极低的损耗，这有助于从放大器电路中的有源器件获得最大增益，即使在各种毫米波波段下，也有望用于未来5G无线网络的许多回传链路。