電子元件應(yīng)對高功率電平的途徑

它能處理多大的功率？這是對發(fā)射機(jī)中的大多數(shù)元件不可避免要問的一個問題，而且通常問的是無源元件，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(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體(LDMOS)晶體管和氮化鎵(GaN)場效應(yīng)晶體管(FET))的功率電平的日益增加，當(dāng)安裝在精心設(shè)計(jì)的放大器電路中時，它們也將受到連接器等元件甚至印刷電路板(PCB)材料的功率處理能力的限制。了解組成大功率元件或系統(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(jī)要求功率在限制范圍內(nèi)。一般來說，這些限制范圍由政府機(jī)構(gòu)規(guī)定，例如美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)制定的通信標(biāo)準(zhǔn)。但在“不受管制”系統(tǒng)中，比如雷達(dá)和電子戰(zhàn)(EW)平臺中，限制主要來自于系統(tǒng)中的電子元件。每個元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?yàn)V波器)。理解功率在這些元件中如何流動有助于在設(shè)計(jì)電路與系統(tǒng)時處理更高的功率電平。

當(dāng)電流流過電路時，部分電能將被轉(zhuǎn)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(shè)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)中元件或材料的溫升，例如印刷電路板中使用的介電材料。電流/熱量流經(jīng)電路時發(fā)生中斷(例如松散的或虛焊連接器)，也可能導(dǎo)致熱量的不連續(xù)性或熱點(diǎn)，進(jìn)而引起損壞或可靠性問題。溫度效應(yīng)，包括不同材料間熱膨脹系數(shù)(CTE)的不同，也可能導(dǎo)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(chǎn)生的熱量傳離發(fā)熱源，如晶體管或TWT。當(dāng)然，從熱源開始的散熱路徑應(yīng)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(shè)計(jì)周期一開始就考慮才能最佳地實(shí)現(xiàn)。

一般用熱導(dǎo)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(biāo)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(dǎo)率。比如低成本高頻電路中經(jīng)常使用的FR4疊層材料，它們的典型熱導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)率。為防止在銅傳輸線上產(chǎn)生熱點(diǎn)，必須為從傳輸線到地平面、散熱器或其它一些高熱導(dǎo)率區(qū)域提供高熱導(dǎo)率路徑。更薄的PCB材料允許到地平面的路徑更短，因?yàn)榭梢允褂秒婂冞^孔(PTH)從電路走線連接到地平面。

當(dāng)然，PCB的功率處理能力是許多因素的函數(shù)，包括導(dǎo)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(shè)計(jì)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(dǎo)率的PCB介電材料來實(shí)現(xiàn)正確的熱管理。

在給定的應(yīng)用功率電平下，具有更高熱導(dǎo)率的電路材料的溫升要比更低熱導(dǎo)率材料低。遺憾的是，F(xiàn)R4與許多具有低熱導(dǎo)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(dǎo)率的PCB材料加以改進(jìn)。