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简略剖析微波射频器材极限功率损耗与涣散

每个器件都有一个最大的功率极限,不管是有源器件(如放大器),还是无源器件(如电缆或滤波器)。理解功率在这些器件中如何流动有助于在设计电路与系统时处理更高的功率电平。

每个器材都有一个最大的功率极限,不管是有源器材(如放大器),仍是无源器材(如电缆或滤波器)。了解功率在这些器材中怎么活动有助于在规划电路与体系时处理更高的功率电平。

发射机要求功率的约束规模由政府机构规则,例如美国联邦通讯委员会(FCC)拟定的通讯规范。但在“不受控制”体系中,比方雷达和电子战(EW)平台中,约束首要来自于体系中的电子器材。

每个器材都有一个最大的功率极限,不管是有源器材(如放大器),仍是无源器材(如电缆或滤波器)。了解功率在这些器材中怎么活动有助于在规划电路与体系时处理更高的功率电平。

它能处理多大的功率这是对发射机中的大多数器材不可避免要问的一个问题,并且一般问的是无源器材,比方滤波器、耦合器和天线。但随着微波真空管(如行波管(TWT))和中心有源器材(如硅横向分散金属氧化物半导体(LDMOS)晶体管和氮化镓(GaN)场效应晶体管(FET))的功率电平的日益添加,当安装在精心规划的放大器电路中时,它们也将遭到衔接器等器材乃至印刷电路板(PCB)资料的功率处理才干的约束。了解组成大功率器材或体系的不同部件的约束有助于答复这个长久以来的问题。

当电流流过电路时,部分电能将被转换成热能。处理足够大电流的电路将发热——特别是在电阻高的当地,如分立电阻。对电路或体系设定功率极限的基本思路是运用低工作温度避免任何或许损坏电路或体系中器材或资料的温升,例如印刷电路板中运用的介电资料。电流/热量流经电路时产生中止(例如松懈的或虚焊衔接器),也或许导致热量的不接连性或热门,从而引起损坏或牢靠性问题。温度效应,包含不同资料间热膨胀系数(CTE)的不同,也或许导致高频电路和体系中产生牢靠性问题。

热量总是从更高温度的区域流向较低温度的区域,这个准则能够用来将大功率电路产生的热量传离发热源,如晶体管或TWT.当然,从热源开端的散热途径应该包含由能够疏通或耗散热量的资料组成的目的地,比方金属接地层或散热器。不管怎样,任何电路或体系的热办理只要在规划周期一开端就考虑才干最佳地完成。

一般用热导率来比较用于办理射频/微波电路热量的资料功用,这个目标用每米资料每一度(以开尔文为单位)施加的功率(W/mK)来衡量。或许对任何高频电路来说这些资料最重要的一个要素是PCB叠层,这些叠层一般具有较低的热导率。比方低成本高频电路中常常运用的FR4叠层资料,它们的典型热导率只要0.25W/mK.

相反,铜(沉积在FR4上,作为地高平面或电路走线)具有355W/mK的热导率。铜具有很大的热活动容量,而FR4具有简直能够疏忽的热导率。为避免在铜传输线上产生热门,有必要为从传输线到地平面、散热器或其它一些高热导率区域供给高热导率途径。更薄的PCB资料答应到地平面的途径更短,由于能够运用电镀过孔(PTH)从电路走线衔接到地平面。

当然,PCB的功率处理才干是许多要素的函数,包含导体宽度、地平面距离和资料的耗散因数(损耗)。此外,资料的介电常数将确认在给定抱负特征阻抗下的电路尺度,比方50Ω,因而具有更高介电常数值的资料答应电路规划师减小其射频/微波电路的尺度。也就是说,这些更短的金属走线意味着需求具有更高热导率的PCB介电资料来完成正确的热办理。

在给定的使用功率电平下,具有更高热导率的电路资料的温升要比更低热导率资料低。惋惜的是,FR4与许多具有低热导率的其它PCB资料没有什么不同。不过,电路的热处理才干和功率处理才干能够经过规则选用至少与FR4比较具有更高热导率的PCB资料加以改进。

例如,尽管还没到铜的热导率水平,但Rogers公司的几种PCB资料能够供给比FR4高得多的热导率。RO4350B资料的热导率是0.62W/mK,而该公司的RO4360叠层热导率可达0.80W/mK.尽管没有明显的进步,但与FR4叠层比较的确有了两至三倍的热/功率才干提高,可完成射频/微波电路所产生热量的有用耗散。这两种资料特别合适具有内置热源(晶体管)的放大器使用,它们都具有较低的热膨胀系数(CTE)值,因而能最大极限地削减随温度产生的尺度改变。

许多商用计算机辅佐工程(CAE)软件规划包能够在给定的使用功率电平缓给定的电路参数设置条件下建模经过射频/微波电路的热量活动,包含PCB的热导率。这些软件规划包包含有许多独自的程序,比方SonnetSoftware公司的电磁仿真(EM)东西、Fluent公司的IcePak软件、ANSYS公司的TASPCB软件以及Flomerics公司的Flotherm软件。它们还包含许多规划软件东西套件,如安捷伦科技(Agilent)的高档规划体系(ADS)、ComputerSimulationTechnology公司(CST)的CSTMicrowaveStudio以及AWR公司的MicrowaveOffice.

这些软件东西乃至能够用来研讨不同工作环境对射频/微波电路功率处理才干的影响,比方在飞机的低大气压力或高海拔环境下足够高功率电平下或许呈现的电弧。这些程序还能经过对能量流经器材(如耦合器或滤波器)时的场散布状况建模,来提高分立射频/微波器材的功率处理才干。

当然,PCB资料并不是影响射频/微波电路或体系中热量活动的仅有要素。电缆和衔接器对高频体系中功率/热量的约束也是众所周知的。在同轴组件中,衔接器一般能够比它所衔接的电缆处理更多的热量/功率,而不同衔接器具有不同的功率额定值。例如,N型衔接器的功率额定值稍高于具有更小尺度(和更高频率规模)的SMA衔接器。电缆和衔接器的平均功率和峰值功率都有额定值,峰值功率等于V2/Z,其间Z是特征阻抗,V是峰值电压。平均功率额定值的简略预算办法是将电缆组件的峰值功率额定值乘以占空比。

结语

值得注意的是,这是对杂乱主题的极端简略化处理。它还没有触及资料击穿电压、PCB耗散因数(损耗因数)怎么影响电路的功率处理才干、对PCB资料热膨胀系数(CTE)功用的影响以及接连波和脉冲动力之间发热效应差异等主题。

在器材、电路和体系内,还有许多杂乱的现象或许影响到功率处理才干,包含具有“翻开”和“封闭”状况的开关等或许具有不同射频/微波功率才干的器材。除了软件程序外,可用于热剖析的东西还能够供给根据红外(IR)技能的热成像功用,能够用来安全地研讨器材、电路和体系中的热量累积。

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