PCB设计中如何选择功率分配器和耦合器的PCB材料

PCB设计中如何选择功率分配器和耦合器的PCB材料

功率分配器和合成器是最常用/常见的高频器件，定向耦合器等耦合器也是如此。 这些器件用于对来自天线或系统的高频能量进行功率分配、合并和耦合，损耗和泄漏都非常小。 PCB板的选择是这些器件达到预期性能的关键因素。 在设计和加工功率分配器/合成器/耦合器时，了解 PCB 材料的性能如何影响这些器件的最终性能会很有帮助。 例如，它可以帮助限制所选板的一系列不同的性能指标，包括频率范围、工作带宽和功率容量。

许多不同的电路用于设计功率分配器（进而组合器）和耦合器，它们具有不同的形式。 功分器有简单的两路功分器和复杂的N路功分器，根据系统的实际需要而定。 许多不同的定向耦合器和其他类型的耦合器近年来也取得了长足的进步，包括威尔金森和电阻功率分配器、兰格耦合器和正交混合节电电桥，它们有许多不同的形式和尺寸。 在这些电路设计中选择合适的PCB材料将有助于它们实现最佳性能。

这些不同的电路类型将损害设计的结构和性能，以帮助设计人员为不同的应用选择板。 威尔金森两路功率分配器通过单个输入信号提供幅度和相位相等的两路输出信号。 事实上，它是一个“无损”电路，旨在提供比原始信号小3dB（或原始信号的一半）的输出信号（功分器每个端口的输出功率随着功率分配器的增加而减小） 输出端口数量）。 相比之下，电阻式双功率分配器提供的输出信号比原始信号小6dB。电阻功率分配器每个支路中添加的阻抗增加了损耗，但也增加了两个信号之间的隔离度。

与许多电路设计一样，介电常数（Dk）一般是选择不同PCB材料的出发点，功率分配器/功率合成器设计者一般倾向于使用高介电常数（Dk）的电路材料，因为这些材料可以提供有效的电磁耦合 与低介电常数材料相比，适用于更小的电路。 高介电常数的电路存在一个问题，即电路板中的介电常数具有各向异性或者电路板在x、y、z方向上的介电常数值不同。 当同一方向介电常数变化较大时，也很难得到阻抗均匀的传输线。

保持阻抗不变性对于实现功率分配器/合成器的特性非常重要。介电常数（阻抗）的变化会导致电磁能量和功率分布不均匀。 幸运的是，有具有优异各向同性的商用 PCB 材料可用于这些电路，例如 TMM 10i 电路材料。 这些材料具有相对较高的介电常数值9.8，并且在三个坐标轴方向上保持在9.8+/-0.245（在10GHz测量）的水平。 也可以理解，在功率分配器/合路器和耦合器的传输线路中，均匀的阻抗特性可以使设备中电磁能量的分布恒定且可测量。 对于介电常数较高的PCB材料，TMM 13i层压板的介电常数为12.85，三轴变化在+/-0.35（10GHz）以内。

当然，在设计功率分配器/功率合成器和耦合器时，恒定的介电常数和阻抗特性只是需要考虑的PCB材料参数之一。在设计功率分配器/组合器或耦合器电路时，最小化插入损耗通常是一个重要目标。 理想情况下，双向威尔金森功率分配器可以为两个输出端口提供 - 3dB 或输入电磁能量的一半。 事实上，每个功率分配器/合成器（和耦合器）电路都会有一定的插入损耗，这通常取决于频率（当频率增加时，损耗也增加）。 因此，对于功率分配器/合成器的设计，PCB材料的选择需要考虑如何控制以最小化电路的插入损耗。

在功率分配器/合路器或耦合器等无源高频器件中，插入损耗实际上是多种损耗的总和，包括介质损耗、导体损耗、辐射损耗和泄漏损耗。 其中一些损耗可以通过仔细的电路设计来控制，并且它们也可能取决于PCB材料的特性，并且可以通过合理选择PCB材料来最小化。 阻抗失配（即驻波比损耗）会造成损耗，但可以通过选择介电常数恒定的PCB材料来降低损耗。

最小化损耗对于设计高功率值的功率分配器/合路器和耦合器至关重要，因为在高功率下，损耗将转化为热量并耗散在器件和 PCB 材料中，而热量会影响材料的介电常数（和阻抗值）。

总之，在设计和加工高频功率分配器/合路器和耦合器时，应根据许多不同的关键材料特性来选择PCB材料，包括介电常数值、材料介电常数的连续性、温度等环境因素以及降低 材料损耗包括介电损耗、导体损耗和功率容量。 针对特定应用选择 PCB 材料将有助于成功设计高频功率分配器/合成器或耦合器。         ----PCB组装、PCB设计和PCB加工厂家讲解了PCB设计中如何选择功率分配器和耦合器的PCB材料。