微波射頻器件極限功率損耗與分散詳解

  每個(gè)器件都有一個(gè)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)。理解功率在這些器件中如何流動(dòng)有助于在設(shè)計(jì)電路與系統(tǒng)時(shí)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(jī)中的大多數(shù)器件不可避免要問的一個(gè)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(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(shí),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(gè)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(huì)(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(tái)中,限制主要來自于系統(tǒng)中的電子器件。每個(gè)器件都有一個(gè)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)。理解功率在這些器件中如何流動(dòng)有助于在設(shè)計(jì)電路與系統(tǒng)時(shí)處理更高的功率電平。

  當(dāng)電流流過電路時(shí),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(jīng)電路時(shí)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(gè)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(gè)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(gè)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。

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