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微波射频器件极限功率损耗与分散详解

2013-12-20 15:33
蓝林笑生
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  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。

  它能处理多大的功率这是对发射机中的大多数器件不可避免要问的一个问题,而且通常问的是无源器件,比如滤波器、耦合器和天线。但随着微波真空管(如行波管(TWT))和核心有源器件(如硅横向扩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))的功率电平的日益增加,当安装在精心设计的放大器电路中时,它们也将受到连接器等器件甚至印刷电路板(PCB)材料的功率处理能力的限制。了解组成大功率器件或系统的不同部件的限制有助于回答这个长久以来的问题。

  发射机要求功率在限制范围内。一般来说,这些限制范围由政府机构规定,例如美国联邦通信委员会(FCC)制定的通信标准。但在“不受管制”系统中,比如雷达和电子战(EW)平台中,限制主要来自于系统中的电子器件。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。

  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——特别是在电阻高的地方,如分立电阻。对电路或系统设定功率极限的基本思路是利用低工作温度防止任何可能损坏电路或系统中器件或材料的温升,例如印刷电路板中使用的介电材料。电流/热量流经电路时发生中断(例如松散的或虚焊连接器),也可能导致热量的不连续性或热点,进而引起损坏或可靠性问题。温度效应,包括不同材料间热膨胀系数(CTE)的不同,也可能导致高频电路和系统中发生可靠性问题。

  热量总是从更高温度的区域流向较低温度的区域,这个原则可以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,从热源开始的散热路径应该包括由能够疏通或耗散热量的材料组成的目的地,比如金属接地层或散热器。不管怎样,任何电路或系统的热管理只有在设计周期一开始就考虑才能最佳地实现。

  一般用热导率来比较用于管理射频/微波电路热量的材料性能,这个指标用每米材料每一度(以开尔文为单位)施加的功率(W/mK)来衡量。也许对任何高频电路来说这些材料最重要的一个因素是PCB叠层,这些叠层一般具有较低的热导率。比如低成本高频电路中经常使用的FR4叠层材料,它们的典型热导率只有0.25W/mK。

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