不同頻段下如何選擇適用于5G功率放大器電路的線路板材

約翰·孔羅德

摘要：指出哪種板材最適合于5G微波頻段或毫米波頻段功率放大器的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：5G；功率放大器；板材；TCDK

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2018.8.004

5G技術(shù)的應(yīng)用會使用到若干不同的頻段，各國5G的頻段分配也有不同方案。其中，有頻率相對較低的頻段（300 MHz到30 GHz），也有頻率相對較高的頻段，同時還包含了毫米波頻段（30到300 GHz）。根據(jù)以往的設(shè)計經(jīng)驗，工作于較低頻段的PA（功率放大器）與工作于相對較高的頻率下PA設(shè)計差異不會很大。但是基于5G技術(shù)的無線通信網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)存在極大的差別，工程師在設(shè)計適用于5G技術(shù)的功率放大器時，不得不同時處理射頻微波和毫米波方面的問題。

設(shè)計射頻微波電路與設(shè)計毫米波電路需要考慮的因素可能存在極大的差別。而且，微波電路所需的高頻線路板材也與毫米波應(yīng)用所需的板材有很大的不同。本文將會指出哪種板材最適合于微波頻段或毫米波頻段功率放大器的應(yīng)用。

一般來說，大多數(shù)5G系統(tǒng)應(yīng)用的工作頻率不會高于6 GHz。而且，這些低頻段下的系統(tǒng)的功率水平也高于毫米波頻段下的功率。射頻微波5G功率放大器的性能取決于線路板材的許多關(guān)鍵特性，包括良好的熱管理，低插入損耗以及射頻性能在寬溫度范圍內(nèi)的一致性；還包括良好可控的介電常數(shù)（Dk或ε r）、高導(dǎo)熱系數(shù)、低TCDk（Dk熱系數(shù)）、低損耗因子和嚴(yán)格控制的介質(zhì)厚度等。

讓我們來看看材料的每種特性，以及為什么它們對射頻微波功率放大器的特性至關(guān)重要。許多5G射頻微波功放會使用Doherty結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的電路需要設(shè)計四分之一波長線作為阻抗變換。如果與波長相關(guān)的PCB材料的變量都得到良好控制，那么四分之一波長線電路的性能就能按照預(yù)期實現(xiàn)。與此相關(guān)的變量包括材料Dk與介質(zhì)厚度。PCB加工制造過程中的可變因素也會影響四分之一波長線電路的性能，例如導(dǎo)線精度、導(dǎo)體厚度。

通常情況下，Dk公差為±0.05的高頻線路板材即可認(rèn)為性能較好，可以用于此類應(yīng)用的材料。此外，材料的基板介質(zhì)厚度應(yīng)控制在±10%或更小。

另一個射頻微波功放的設(shè)計要點是阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，其目的就是使外部阻抗匹配到功放管輸入或輸出。阻抗控制與波長受相同的變量影響。然而這些變量影響二者的情況卻不相同。許多工程師認(rèn)為Dk的變化是使阻抗產(chǎn)生變化的主要影響因素。然而事實通常不是這樣。利用任何一個阻抗計算軟件就可以進(jìn)行一個很簡單的計算，來看看影響阻抗變化的不同變量的影響等級。表1中展示了相關(guān)結(jié)果。

表1中的數(shù)據(jù)基于微帶線電路，同時使用了厚度為20 mils、標(biāo)稱Dk為3.50、Dk公差為±0.05的高頻線路板材。第一行信息作為基準(zhǔn)或參考數(shù)據(jù)，此行中顯示了獲得的阻抗值是50.07歐姆。表1中其它行則展示了改變其中一個變量對阻抗產(chǎn)生的影響。可以看到，引起阻抗變化中最重要的影響因素是介質(zhì)厚度。在此之后，是導(dǎo)體寬度和銅箔厚度的控制對阻抗值變化，而最后，Dk對阻抗值的變化影響最小。

設(shè)計射頻微波功放時還需要考慮的問題是熱管理。材料導(dǎo)熱系數(shù)（或稱熱導(dǎo)率）就是一個可以幫助減少這個問題的材料屬性。大多數(shù)高頻線路板材的導(dǎo)熱系數(shù)都較低，典型值通常在0.2 W/m -K到0.3 W/m.K。而認(rèn)為PCB材料擁有較好導(dǎo)熱系數(shù)的值應(yīng)為0.5 W/m/k或更高。較高的導(dǎo)熱系數(shù)可使熱量從功放管道高頻電路材料獲得更好的熱量流動，從而使電路可以更有效地散熱。

導(dǎo)熱問題出現(xiàn)的同時，許多射頻微波功放要求應(yīng)用在較寬的溫度范圍內(nèi)且能保持正常的工作。線路板材介電常數(shù)溫度系數(shù)（TCDk），就是這樣一個材料的屬性，它描述了溫度的變化會對Dk值造成的變化影響。前面提到，Dk的變化與對電路阻抗的變化并不是最大的影響，然而Dk的變化會對波長造成影響，這必定會使Doherty功率放大器中經(jīng)常使用的四分之一波長線性能出現(xiàn)問題。依據(jù)經(jīng)驗，較好的TCDk值應(yīng)為l501 ppm/。c或更低，理想的TCDk值應(yīng)為O ppm/oC，或者說是Dk值不隨溫度改變。圖1的圖表給出了幾種不同類型的材料的TCDk特性。

可以看到，暗紫色曲線表示的聚四氟乙烯/陶瓷/玻璃布材料在室溫附近的Dk變化非常大，這對聚四氟乙烯來說是正常的。如果聚四氟乙烯基材配制合適，則可以使受室溫影響造成的Dk變化最小化甚至消除，這就是深藍(lán)色曲線代表的情況。該曲線代表陶瓷填充的PTFE材料，比如Rogers（羅杰斯）公司的R03003層壓板，其TCDk值僅為一3 ppm /oC。黃色曲線代表的非聚四氟乙烯的熱固材料，它同樣具有較好的TCDk特性，大約為50 ppm/oC，此曲線顯示的就是羅杰斯R04350B（或R04835）板材的變化情況。

棕色曲線顯示的是FR-4的數(shù)據(jù)，并作為參考顯示在圖表中。FR-4不是較好TCDk特性的材料配方，但它可以作為一個反例來看TCDk特性特別差的材料的例子。理想的TCDk是在y軸上應(yīng)該是以1.00為中心的平坦曲線。

最后，材料的耗散因子（Df或Tan δ）也影響許多不同電路特性和電路的散熱性能?；旧?，低Df的線路板材的電路將會具有較低的插入損耗，而較低的損耗電路產(chǎn)生的熱量就更少。對于在6GHz以下頻段使用的射頻微波功放，所使用的板材的Df在0.005以下時就可基本滿足相關(guān)要求了。

表2對射頻微波功放的關(guān)鍵材料性能進(jìn)行了小結(jié)，其中列出了不同的線路板材以及其與功放性能相關(guān)的參數(shù)，特別是減少熱量的產(chǎn)生方面。

5G毫米波的應(yīng)用所需要考慮的材料方面的問題與射頻微波頻段下的類似：然而在更高的頻率下，還有很多其它問題需要考慮。尤其是在毫米波頻段下插入損耗會變高，而且在較高的頻率下，隨著波長的減小，Dk和TCDk的控制就顯得尤為重要。

對于毫米波功率放大器射頻部分的PCB來說，通常選用具有極低損耗的、較薄的高頻板材。在毫米波頻率下，較薄的介質(zhì)厚度有助于避免雜散模式和諧振的產(chǎn)生。一般來說，lOmil厚的介質(zhì)材料可用于30到60GHz的應(yīng)用條件，而在頻率超過60GHz的條件下則可使用5mil厚的材料。當(dāng)然，上面只是經(jīng)驗總結(jié)，但也有例外。

毫米波實際應(yīng)用中最常用到的射頻結(jié)構(gòu)是微帶線與接地共面波導(dǎo)（GCPW）。當(dāng)使用微帶線并且存在阻抗轉(zhuǎn)換時，例如從RF連接器到電路的信號轉(zhuǎn)換，此時GCPW就通常用于這些轉(zhuǎn)換區(qū)域，而電路的其余部分則是微帶線。微帶線存在著些許缺點，例如其比GCPW更容易產(chǎn)生輻射損耗，且具有色散性。此外，能有效抑制雜散模式的微帶線的設(shè)計方法也很少。如果在毫米波頻率下適當(dāng)設(shè)計GCPW結(jié)構(gòu)則可以極大地減少甚至消除輻射損耗與色散效應(yīng)。相比較，GCPW的缺點則是其射頻性能更容易受到PCB制造中的相關(guān)因素變化的影響…，這可能導(dǎo)致即使是相同的GCPW設(shè)計但可能出現(xiàn)較大的不同電路之間的性能變化。

由于在毫米波頻段下需要使用薄的介質(zhì)材料，減小插損就要比射頻/微波頻段下要復(fù)雜一些。對于射頻/微波頻段下的應(yīng)用，其信號波長較大，線路板材通常較厚，與導(dǎo)體有關(guān)的插入損耗的分量 導(dǎo)體損耗就小得多。而對于毫米波頻段，導(dǎo)體損耗，特別是銅箔表面粗糙度，就將是影響插入損耗大小的重要因素。

例如，對于一較薄的微帶電路，所謂要考慮的銅箔表面粗糙度指的是基板一銅箔界面的粗糙度。當(dāng)趨膚深度比銅箔的粗糙度深度更小時，銅箔表面粗糙度就會對導(dǎo)體損耗產(chǎn)生顯著影響[2]。圖2顯示了使用在毫米波應(yīng)用中，常用材料的微帶線電路在不同的銅箔表面粗糙度的插入損耗差異。

此外，較為粗糙的銅箔表面會導(dǎo)致相速度降低，這將使電路的性質(zhì)看起來就像它是在較高Dk的材料上一樣。下面利用相同的介質(zhì)材料，不同類型的銅箔來通過一個簡單的實驗證明了這一觀點。不同銅箔類型，其銅箔表面粗糙度會有顯著差異。每種銅箔的表面粗糙度都是在制作成層壓板之前用非接觸式銅箔粗糙度測試儀經(jīng)過測量的。層壓板制作完成后，在層壓板上制作50Q微帶傳輸線電路。之后對電路進(jìn)行相位響應(yīng)測試，并繪制出它們的有效Dk與頻率的關(guān)系曲線，如圖3所示。

在圖3中可以看出，使用表面最平滑的銅箔（其有0.5μm RMS的平均表面粗糙度，紅色曲線）的層壓板的電路，其具有最低的有效介電常數(shù)。圖中的趨勢非常明顯：表面粗糙度增加，有效Dk值隨之增加?；旧希植诘你~箔會導(dǎo)致相速度變慢，而變慢的波的傳播被視為具有較高的介電常數(shù)。從圖中可以看到，最光滑的銅箔的電路與最粗糙的銅箔的電路之間的有效Dk相差約為0.3。當(dāng)考慮到所有電路使用了相同的介質(zhì)，這對于有效Dk而言是非常大的差值，而正是銅箔表面粗糙度的差異導(dǎo)致了這一較大的有效Dk差異。

如圖2所示，對由于銅箔表面粗糙程度的不同導(dǎo)致電路介電常數(shù)的差異還進(jìn)行了類似的測試，同時也是通過測試相位響應(yīng)的方法。利用微帶線相位響應(yīng)工具和MWI-2018I具軟件，可以得出Dk與頻率的關(guān)系圖，如圖4所示。工具軟件可以在羅杰斯公司的技術(shù)支持中心免費下載。

圖4中所得到的Dk就是電路所呈現(xiàn)的Dk或設(shè)計Dk。圖中所使用的高頻線路材料介質(zhì)的固有Dk是3.0。當(dāng)電路用表面粗糙的銅箔疊合時，其波的傳播速率將減慢，Dk增加。使用ED銅的電路就是這種情況。而當(dāng)電路使用表面極其光滑的壓延銅時，相速度并沒有明顯的降低，因此，此時Dk值相對較低并接近于介質(zhì)的固有Dk值。理論上，如果銅箔是完全光滑的，則Dk曲線將接近3.O，等于介質(zhì)材料的Dk值。

導(dǎo)體對薄電路的影響要比較厚的電路大得多。若使用較厚的介質(zhì)材料進(jìn)行與圖4相同的實驗，得到的數(shù)據(jù)曲線會與原始圖4中的數(shù)據(jù)有一定差別，此時粗糙度不同的銅箔得到的Dk測試結(jié)果的差距將減小。當(dāng)電路使用20mil厚度的材料時，使用表面光滑的壓延銅在20GHz下的Dk值大約為3.005，十分接近于值為3.O的材料的固有Dk；而使用表面粗糙的ED銅在20GHz下的Dk值大約為3.060，兩者之間的差異只有約0.055。因此對于較厚的材料，Dk值之間的差異較小，因為較厚的介質(zhì)材料不會像如圖4所示的較薄的電路那樣，受到較大的導(dǎo)體（即銅箔表面粗糙度）的影響。

由于較薄的電路對導(dǎo)體即銅箔粗糙度更敏感，因此考慮銅表面粗糙度的影響不僅要看電路整個插入損耗，而且還要考慮設(shè)計Dk。此外，電路相位響應(yīng)和設(shè)計Dk的一致性同樣也取決于銅箔表面粗糙度。用于制造高頻層壓板的銅箔的表面粗糙度都存在著正常變化。銅箔表面粗糙度的變化包括隨批次間和隨板內(nèi)表面粗糙度變化。然而，銅箔越光滑，銅箔表面粗糙度的這種變化就越小。且由于銅箔表面粗糙度會影響設(shè)計Dk與相位響應(yīng)，因此表面光滑且粗糙度變化小的銅箔在進(jìn)行相同電路不同批次評估時，電路性能會更加一致。

無線通信的世界正在迅速發(fā)展到第五代移動通信（5G）技術(shù)，需要廣泛使用頻率更高的毫米波頻段。這些無線網(wǎng)絡(luò)中需要用到功率放大器以及適用于這些功率放大器的線路板材料，但是為毫米波頻段下的電路選擇最佳板材要比為射頻/微波頻段下的選擇板材要多考慮更多的問題?？傊?，射頻/微波功率放大器所使用材料的關(guān)鍵特性包括插入損耗、Dk的一致性、介質(zhì)厚度的一致性、導(dǎo)熱系數(shù)和TCDk等。這些相同的材料屬性同樣適合于毫米波功率放大器，只是材料將更薄，更易受銅箔表面粗糙度的影響。

參考文獻(xiàn) ：

[1]Coonrod J.Managing Circuit Materials at mmWave Frequencies.Microwave Journal， Vol. 58， 2015（7）.

[2]Horn A F，Reynolds J，Rautio J C. Conductor Profile Effects on the Propagation Constant ofMicrostrip Transmission Lines.IEEE lMS Microwave Technology and Techniques Symposium，2010.