技術乾貨│不同頻段下如何選擇適用於5G功率放大器電路的線路板材
5G技術的應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)。根據以往的設計經驗，工作於較低頻段的PA（功率放大器）與工作相對較高的頻率下PA設計差異不會很大。但是基於5G技術的無線通信網路與傳統的蜂窩網路系統存在極大的差別，工程師在設計適用於5G技術的功率放大器時，不得不同時處理射頻微波和毫米波方面的問題。
設計射頻微波電路與設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於微波頻段或毫米波頻段功率放大器的應用。
一般來說，大多數5G系統應用的工作頻率不會高於6GHz。而且，這些低頻段下的系統的功率水平也高於毫米波頻段下的功率。射頻微波5G功率放大器的性能取決於線路板材的許多關鍵特性，包括良好的熱管理，低插入損耗以及射頻性能在寬溫度範圍內的一致性；還包括良好可控的介電常數（Dk或εr）、高導熱係數、低TCDk（Dk熱係數）、低損耗因子和嚴格控制的介質厚度等。
讓我們來看看材料的每種特性，以及為什麼它們對射頻微波功率放大器的特性至關重要。許多5G射頻微波功放會使用Doherty結構，這種結構的電路需要設計四分之一波長線作為阻抗變換。如果與波長相關的PCB材料的變數都得到良好控制，那麼四分之一波長線電路的性能就能按照預期實現。與此相關的變數包括材料Dk與介質厚度。PCB加工製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，例如導線精度、導體厚度。
通常情況下，Dk公差為± 0.05的高頻線路板材即可認為性能較好，可以用於此類應用的材料。此外，材料的基板介質厚度應控制在±10%或更小。
另一個射頻微波功放的設計要點是阻抗匹配網路，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數影響。然而這些變數影響二者的情況卻不相同。許多工程師認為Dk的變化是使阻抗產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體就可以進行一個很簡單的計算，來看看影響阻抗變化的不同變數的影響等級。表1中展示了相關結果。
表1中的數據基於微帶線電路，同時使用了厚度為20mil、標稱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或參考數據，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數對阻抗產生的影響。可以看到，引起阻抗變化中最重要的影響因素是介質厚度。在此之後，是導體寬度和銅箔厚度的控制對阻抗值變化，而最後，Dk對阻抗值的變化影響最小。
設計射頻微波功放時還需要考慮的問題是熱管理。材料導熱係數（或稱熱導率）就是一個可以幫助減少這個問題的材料屬性。大多數高頻線路板材的導熱係數都較低，典型值通常在0.2 W/m?K到0.3 W/m?K。而認為PCB材料擁有較好導熱係數的值應為0.5 W/m/k或更高。較高的導熱係數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。
導熱問題出現的同時，許多射頻微波功放要求應用在較寬的溫度範圍內且能保持正常的工作。線路板材介電常數溫度係數（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並不是最大的影響，然而Dk的變化會對波長造成影響，這必定會使Doherty功率放大器中經常使用的四分之一波長線性能出現問題。依據經驗，較好的TCDk值應為|50| ppm/°C或更低，理想的TCDk值應為0 ppm/°C，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。
圖1：不同類型線路板材的TCDk曲線
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製合適，則可以使受室溫影響造成的Dk變化最小化甚至消除，這就是深藍色曲線代表的情況。該曲線代表陶瓷填充的PTFE材料，比如Rogers公司的RO3003?層壓板，其TCDk值僅為-3 ppm/°C。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/°C，此曲線顯示的就是羅傑斯RO4350B? (或 RO4835?)板材的變化情況。
棕色曲線顯示的是FR-4的數據，並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軸上應該是以1.00為中心的平坦曲線.
最後，材料的耗散因子(Df or Tanδ)也影響許多不同電路特性和電路的散熱性能。基本上，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生的熱量就更少。對於在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要求了。
表2對射頻微波功放的關鍵材料性能進行了小結，其中列出了不同的線路板材以及其與功放性能相關的參數，特別是減少熱量的產生方面。
5G毫米波的應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。
對於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，較薄的介質厚度有助於避免雜散模式和諧振的產生。一般來說，10mil厚的介質材料可用於30到60GHz的應用條件，而在頻率超過60GHz的條件下則可使用5mil厚的材料。當然，上面只是經驗總結，但也有例外。
毫米波實際應用中最常用到的射頻結構是微帶線與接地共面波導（GCPW）。當使用微帶線並且存在阻抗轉換時，例如從RF連接器到電路的信號轉換，此時GCPW就通常用於這些轉換區域，而電路的其餘部分則是微帶線。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計方法也很少。如果在毫米波頻率下適當設計GCPW結構則可以極大地減少甚至消除輻射損耗與色散效應。相比較，GCPW的缺點則是其射頻性能更容易受到PCB製造中的相關因素變化的影響[1]，這可能導致即使是相同的GCPW設計但可能出現較大的不同電路之間的性能變化。
由於在毫米波頻段下需要使用薄的介質材料，減小插損就要比射頻/微波頻段下要複雜一些。對於射頻/微波頻段下的應用，其信號波長較大，線路板材通常較厚，與導體有關的插入損耗的分量----導體損耗就小得多。而對於毫米波頻段，導體損耗，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，對於一較薄的微帶電路，所謂要考慮的銅箔表面粗糙度指的是基板-銅箔界面的粗糙度。當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體損耗產生顯著影響。[2]圖2顯示了使用在毫米波應用中，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。
圖2：微帶線電路的插入損耗比較，使用了相同的介質材料，兩種不同銅箔表面粗糙度。
此外，較為粗糙的銅箔表面會導致相速度降低，這將使電路的性質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製作成層壓板之前用非接觸式銅箔粗糙度測試儀經過測量的。層壓板製作完成後，在層壓板上製作50Ω微帶傳輸線電路。之後對電路進行相位響應測試，並繪製出它們的有效Dk與頻率的關係曲線，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。圖中的趨勢非常明顯：表面粗糙度增加，有效Dk值隨之增加。基本上，粗糙的銅箔會導致相速度變慢，而變慢的波的傳播被視為具有較高的介電常數。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。當考慮到所有電路使用了相同的介質，這對於有效Dk而言是非常大的差值，而正是銅箔表面粗糙度的差異導致了這一較大的有效Dk差異。
圖4：微帶線電路Dk與頻率關係圖，測試使用相同介質，不同的類型和不同的表面粗糙度的銅箔。
圖4中所得到的Dk就是電路所呈現的Dk或設計Dk。圖中所使用的高頻線路材料介質的固有Dk是3.0。當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。而當電路使用表面極其光滑的壓延銅時，相速度並沒有明顯的降低，因此，此時Dk值相對較低並接近於介質的固有Dk值。理論上，如果銅箔是完全光滑的，則Dk曲線將接近3.0，等於介質材料的Dk值。
導體對薄電路的影響要比較厚的電路大得多。若使用較厚的介質材料進行與圖4相同的實驗，得到的數據曲線會與原始圖4中的數據有一定差別，此時粗糙度不同的銅箔得到的Dk測試結果的差距將減小。當電路使用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3.005，十分接近於值為3.0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 。因此對於較厚的材料，Dk值之間的差異較小，因為較厚的介質材料不會像如圖4所示的較薄的電路那樣，受到較大的導體（即銅箔表面粗糙度）的影響。
由於較薄的電路對導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，而且還要考慮設計Dk。此外，電路相位響應和設計Dk的一致性同樣也取決於銅箔表面粗糙度。用於製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。且由於銅箔表面粗糙度會影響設計Dk與相位響應，因此表面光滑且粗糙度變化小的銅箔在進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展到第五代移動通信(5G)技術，需要廣泛使用頻率更高的毫米波頻段。這些無線網路中需要用到功率放大器以及適用於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。總之，射頻/微波功率放大器所使用材料的關鍵特性包括插入損耗、Dk的一致性、介質厚度的一致性、導熱係數和TCDk等。這些相同的材料屬性同樣適合於毫米波功率放大器，只是材料將更薄，更易受銅箔表面粗糙度的影響。
參考文獻：
[1] John Coonrod, 「Managing Circuit Materials at mmWave Frequencies」, Microwave Journal, Vol. 58, No.7, July 2015.
[2] Allen F. Horn, John Reynolds, and James C. Rautio, 「Conductor Profile Effects on the Propagation Constant of Microstrip Transmission Lines」, IEEE IMS Microwave Technology and Techniques Symposium, 2010.
本文由英文翻譯而來，如有差異，請英文為準。
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