微波射频设计中电子材料的选择对热管理的影响

当然，在电路设计中，正确的热管理并不只是简单地选择具有最佳热属性的电路层压板。有许多其它因素会影响工作在给定功率电平和频率的电路的温度。例如，电路材料由耗散因数来表征，它是由介电材料引起的损耗。还有通过传导性传输线（例如微带线或带状线电路）的损耗，并且越高的插入损耗，将导致传输线在较高的功率电平下产生越多的热量。PCB上铜导体的粗糙性会导致插损的增加，特别是在较高频率时。

此外，PCB材料介电常数的选择将决定微波/射频电路的尺寸和密度，因为微波传输线结构的尺寸取决于要处理的信号波长。当相对介电常数较大时，达到给定阻抗所需的传输线的尺寸会较小，而PCB的功率处理能力将受限于导线的宽度和插损以及地平面间距。举例来说，对于一个放大器电路，选择具有较小相对介电常数的PCB材料，对于给定阻抗可以使传输线更宽，从而改善热流。使用相对介电常数较大的PCB材料，将导致更细的传输线尺寸和间距更密的电路，因而在大功率电路中可能形成热点。另外，选择低耗散因数的材料，有助于最大程度地减小传输线的插损，并优化放大器电路的增益。

借助免费的MWI 2010微波阻抗计算器软件，我们仿真了几种不同PCB层压板在大功率电平下使用时的特性，并把MOT作为决定每种材料实际能够处理的最大射频功率的关键参数。每种材料的MOT假设为+105℃。在每个计算用例中，使用的环境温度都是+25℃（室温），同时，针对不同的功率电平，对环境温度以上的温升作了预测。每种材料上都使用2盎司的铜作为导电叠层，制作了相同的20mil厚、50Ω微带线测试电路。在把高Tg FR-4层压板与Rogers公司的RO4350B层压板相比较后可以发现，在800MHz时，对于可比的温升，功率处理能力的预测差异非常显著（图2）。在射频功率电平约40W时，FR-4相对于环境的温升约为+75℃；而RO4350B层压板相对环境温升约+77℃时的射频功率几乎接近250W。

图2：MWI 2010微波阻抗计算器的预测表明，与工作在800MHz的高Tg值FR-4和RO4350B层压板相比，RT/duroid 6035HTC的高热导率转换成更高的功率处理能力

把RT/duroid 6035HTC层压板增加到2GHz更高频率的MWI 2010仿真中，并假设电路与材料（2盎司铜）条件与800MHz仿真时相同，在温升高于环境温度接近+90℃时，FR-4实际表现出较低的功率处理能力（约25W）；而工作在2GHz的RO4350B对于约150W的射频功率，显示出接近+85℃的温升（图3）。RT/duroid 6035HTC专门针对大功率使用而设计，经过这些MWI 2010仿真表明，它在2GHz频率、350W射频功率以上工作时，相对环境的温升仅超过+80℃。这些仿真使我们不仅更加意识到了RT/duroid 6035HTC层压板在大功率电平下的期望能力，而且更加认识了另外两种材料的功率处理能力对频率的依赖性。

图3：这些仿真结果表明，与工作在2GHz的高Tg FR-4和RO4350B层压板相比， RT/duroid 6035HTC的高热导率能转换成更高的功率处理能力。

当上述三种材料用相同测试电路进行测试，但每种电路接收相同频率和功率电平的测试信号时，高Tg FR-4展现出最高的温升——达到+109℃（+229℉）或相对环境温度升高了+84℃；RO4350B层压板的温升为+56℃，从+25℃上升到了+82℃（+180℉）；RT/duroid 6035HTC在相同测试条件下，相对环境的温升仅为+36℃（从+25℃到+62℃）。

在所有其它测试条件相同的情况下，我们对Rogers RO4003C层压板和采用1盎司ED铜和2盎司ED铜的RT/duroid 6035HTC层压板作了进一步测试。该测试揭示了非常有趣的铜表面影响力的结果。当测试频率为800MHz（图4），所有三种层压板相对环境温度的温升达到+80℃时，采用2盎司ED铜的RO4003C层压板所需的功率约为280W，采用2盎司ED铜的RT/duroid 6035HTC所需功率约为700W，采用1盎司铜的RT/duroid 6035HTC所需功率接近800W。当测试频率为2GHz（图5）、温升相同的条件下，RO4003C的功率处理能力下降至约140W，采用2盎司铜的RT/duroid 6035HTC的功率处理能力约380W，而采用1盎司铜的RT/duroid 6035HTC的功率处理能力超过400W。采用1盎司铜的RT/duroid 6035HTC的性能超过更厚覆层的相同电介质的原因是，前者具有更光滑的铜表面（因而具有更小的插损）。