射頻器件功率容限和熱設計簡述

2016-12-27 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網

每個器件都有一個最大的功率極限,不管是有源器件(如放大器),還是無源器件(如電纜或濾波器)。理解功率在這些器件中如何流動有助于在設計電路與系統(tǒng)時處理更高的功率電平。

它能處理多大的功率這是對發(fā)射機中的大多數(shù)器件不可避免要問的一個問題,而且通常問的是無源器件,比如濾波器、耦合器和天線。但隨著微波真空管(如行波管(TWT))和核心有源器件(如硅橫向擴散金屬氧化物半導體(LDMOS)晶體管和氮化鎵(GaN)場效應晶體管(FET))的功率電平的日益增加,當安裝在精心設計的放大器電路中時,它們也將受到連接器等器件甚至印刷電路板(PCB)材料的功率處理能力的限制。了解組成大功率器件或系統(tǒng)的不同部件的限制有助于回答這個長久以來的問題。

發(fā)射機要求功率在限制范圍內。一般來說,這些限制范圍由政府機構規(guī)定,例如美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)制定的通信標準。但在“不受管制”系統(tǒng)中,比如雷達和電子戰(zhàn)(EW)平臺中,限制主要來自于系統(tǒng)中的電子器件。每個器件都有一個最大的功率極限,不管是有源器件(如放大器),還是無源器件(如電纜或濾波器)。理解功率在這些器件中如何流動有助于在設計電路與系統(tǒng)時處理更高的功率電平。

當電流流過電路時,部分電能將被轉換成熱能。處理足夠大電流的電路將發(fā)熱——特別是在電阻高的地方,如分立電阻。對電路或系統(tǒng)設定功率極限的基本思路是利用低工作溫度防止任何可能損壞電路或系統(tǒng)中器件或材料的溫升,例如印刷電路板中使用的介電材料。電流/熱量流經電路時發(fā)生中斷(例如松散的或虛焊連接器),也可能導致熱量的不連續(xù)性或熱點,進而引起損壞或可靠性問題。溫度效應,包括不同材料間熱膨脹系數(shù)(CTE)的不同,也可能導致高頻電路和系統(tǒng)中發(fā)生可靠性問題。

熱量總是從更高溫度的區(qū)域流向較低溫度的區(qū)域,這個原則可以用來將大功率電路產生的熱量傳離發(fā)熱源,如晶體管或TWT。當然,從熱源開始的散熱路徑應該包括由能夠疏通或耗散熱量的材料組成的目的地,比如金屬接地層或散熱器。不管怎樣,任何電路或系統(tǒng)的熱管理只有在設計周期一開始就考慮才能最佳地實現(xiàn)。

一般用熱導率來比較用于管理射頻/微波電路熱量的材料性能,這個指標用每米材料每一度(以開爾文為單位)施加的功率(W/mK)來衡量。也許對任何高頻電路來說這些材料最重要的一個因素是PCB疊層,這些疊層一般具有較低的熱導率。比如低成本高頻電路中經常使用的FR4疊層材料,它們的典型熱導率只有0.25W/mK。

相反,銅(沉積在FR4上,作為地高平面或電路走線)具有355W/mK的熱導率。銅具有很大的熱流動容量,而FR4具有幾乎可以忽略的熱導率。為防止在銅傳輸線上產生熱點,必須為從傳輸線到地平面、散熱器或其它一些高熱導率區(qū)域提供高熱導率路徑。更薄的PCB材料允許到地平面的路徑更短,因為可以使用電鍍過孔(PTH)從電路走線連接到地平面。

當然,PCB的功率處理能力是許多因素的函數(shù),包括導體寬度、地平面間距和材料的耗散因數(shù)(損耗)。此外,材料的介電常數(shù)將確定在給定理想特征阻抗下的電路尺寸,比如50Ω,因此具有更高介電常數(shù)值的材料允許電路設計師減小其射頻/微波電路的尺寸。也就是說,這些更短的金屬走線意味著需要具有更高熱導率的PCB介電材料來實現(xiàn)正確的熱管理。

在給定的應用功率電平下,具有更高熱導率的電路材料的溫升要比更低熱導率材料低。遺憾的是,FR4與許多具有低熱導率的其它PCB材料沒有什么不同。不過,電路的熱處理能力和功率處理能力可以通過規(guī)定采用至少與FR4相比具有更高熱導率的PCB材料加以改進。

例如,雖然還沒到銅的熱導率水平,但Rogers公司的幾種PCB材料可以提供比FR4高得多的熱導率。RO4350B材料的熱導率是0.62W/mK,而該公司的RO4360疊層熱導率可達0.80W/mK。雖然沒有顯著的提高,但與FR4疊層相比確實有了兩至三倍的熱/功率能力提升,可實現(xiàn)射頻/微波電路所產生熱量的有效耗散。這兩種材料特別適合具有內置熱源(晶體管)的放大器應用,它們都具有較低的熱膨脹系數(shù)(CTE)值,因此能最大限度地減少隨溫度發(fā)生的尺寸變化。

許多商用計算機輔助工程(CAE)軟件設計包能夠在給定的應用功率電平和給定的電路參數(shù)設置條件下建模經過射頻/微波電路的熱量流動,包括PCB的熱導率。這些軟件設計包包含有許多單獨的程序,比如SonnetSoftware公司的電磁仿真(EM)工具、Fluent公司的IcePak軟件、ANSYS公司的TASPCB軟件以及Flomerics公司的Flotherm軟件。它們還包含許多設計軟件工具套件,如安捷倫科技(Agilent)的高級設計系統(tǒng)(ADS)、ComputerSimulationTechnology公司(CST)的CSTMicrowaveStudio以及AWR公司的MicrowaveOffice。

這些軟件工具甚至可以用來研究不同工作環(huán)境對射頻/微波電路功率處理能力的影響,比如在飛機的低大氣壓力或高海拔環(huán)境下足夠高功率電平下可能出現(xiàn)的電弧。這些程序還能通過對能量流經器件(如耦合器或濾波器)時的場分布情況建模,來提升分立射頻/微波器件的功率處理能力。

當然,PCB材料并不是影響射頻/微波電路或系統(tǒng)中熱量流動的唯一因素。電纜和連接器對高頻系統(tǒng)中功率/熱量的限制也是眾所周知的。在同軸組件中,連接器通?？梢员人B接的電纜處理更多的熱量/功率,而不同連接器具有不同的功率額定值。例如,N型連接器的功率額定值稍高于具有更小尺寸(和更高頻率范圍)的SMA連接器。電纜和連接器的平均功率和峰值功率都有額定值,峰值功率等于V2/Z,其中Z是特征阻抗,V是峰值電壓。平均功率額定值的簡單估算方法是將電纜組件的峰值功率額定值乘以占空比。

Astrolab公司等許多電纜供應商開發(fā)了專門的計算程序來計算他們的同軸電纜組件的功率處理能力。而TimesMicrowaveSystems等一些公司則提供免費的可下載計算程序,這些程序可用于預測他們自己的不同類型同軸電纜的功率處理能力。

值得注意的是,這是對復雜主題的極其簡單化處理。它還沒有涉及材料擊穿電壓、PCB耗散因數(shù)(損耗因數(shù))如何影響電路的功率處理能力、對PCB材料熱膨脹系數(shù)(CTE)性能的影響以及連續(xù)波和脈沖能源之間發(fā)熱效應區(qū)別等主題。

在器件、電路和系統(tǒng)內,還有許多復雜的現(xiàn)象可能影響到功率處理能力,包括具有“打開”和“關閉”狀態(tài)的開關等可能具有不同射頻/微波功率能力的器件。除了軟件程序外,可用于熱分析的工具還可以提供基于紅外(IR)技術的熱成像功能,可以用來安全地研究器件、電路和系統(tǒng)中的熱量累積。

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