Cómo seleccionar materiales de PCB para divisores de potencia y acopladores para equipos de alta frecuencia
Al diseñar divisores de potencia (y a su vez combinadores) y acopladores, se utilizan muchos circuitos diferentes y se presentan en muchas formas. Según las necesidades reales del sistema, existen divisores de potencia bidireccionales simples y divisores de potencia complejos de N vías. También ha habido grandes avances en muchos acopladores direccionales diferentes y otros tipos de acopladores en los últimos años, incluidos Wilkinson y divisores de potencia resistivos, así como acopladores Lange y puentes estranguladores híbridos en cuadratura, que están disponibles en muchas formas y tamaños diferentes. Elegir los materiales de PCB adecuados para estos diseños de circuitos puede ayudarlos a lograr un rendimiento óptimo.
Estos diferentes tipos de circuitos afectarán la estructura y el rendimiento del diseño, lo que ayudará a los diseñadores a seleccionar placas de circuitos para diferentes aplicaciones. El crossover Wilkinson proporciona dos señales de salida de igual amplitud y fase a partir de una única señal de entrada. En realidad, es un circuito "sin pérdidas" diseñado para proporcionar 3 dB menos que la señal original (o la mitad de la señal original) de la señal de salida (). la potencia de salida de cada puerto del divisor de frecuencia disminuye a medida que aumenta el número de puertos de salida). (La potencia de salida de cada puerto del amplificador disminuye a medida que aumenta el número de puertos de salida). En comparación, un biamplificador resistivo proporciona una señal de salida 6 dB más pequeña que la señal original. La impedancia adicional de cada rama en un divisor de potencia resistivo aumenta las pérdidas pero también aumenta el aislamiento entre las dos señales.
Al igual que con muchos diseños de circuitos, la constante dieléctrica (Dk) suele ser el punto de partida para seleccionar diferentes materiales de PCB, y los diseñadores de divisores de potencia/combinadores de potencia a menudo prefieren materiales de circuitos con una constante dieléctrica (Dk) alta, porque. Puede proporcionar un acoplamiento electromagnético eficiente en circuitos más pequeños que los materiales de baja constante dieléctrica. Un problema con los circuitos de alta k es la anisotropía de la permitividad en la placa de circuito, o los diferentes valores de la permitividad del material de la placa de circuito en las direcciones x, y y z. También es difícil obtener una línea de transmisión con impedancia uniforme cuando la constante dieléctrica varía mucho en la misma dirección.
Mantener la impedancia constante es importante para lograr las características del divisor/combinador de potencia porque los cambios en la constante dieléctrica (impedancia) pueden causar una distribución desigual de la energía y potencia electromagnética. Afortunadamente, existen materiales de PCB disponibles comercialmente con excelente isotropía que se pueden utilizar para estos circuitos, como el material de circuito TMM 10i. El valor de la constante dieléctrica de estos materiales es relativamente alto: 9,8 y se mantiene en un nivel de 9,8/-0,245 en los tres ejes (medido a 10 GHz). Esto también puede explicarse por el hecho de que las líneas de transmisión de los divisores/combinadores y acopladores de potencia tienen características de impedancia uniformes, lo que hace que la distribución de energía electromagnética en el dispositivo sea constante y medible. Para materiales de PCB con constantes dieléctricas más altas, el laminado TMM 13i tiene una constante dieléctrica de 12,85, que varía de /-0,35 en los tres ejes (10 GHz).
Por supuesto, la constante dieléctrica constante y las características de impedancia son solo uno de los parámetros del material de PCB que deben considerarse al diseñar divisores/combinadores y acopladores de potencia. Al diseñar un circuito divisor/combinador o acoplador de potencia, minimizar la pérdida de inserción suele ser un objetivo importante. Idealmente, un divisor de potencia bidireccional de Wilkinson proporciona -3 dB o la mitad de la energía electromagnética entrante.
De hecho, cada circuito divisor/combinador (y acoplador) de potencia tendrá una cierta pérdida de inserción, generalmente relacionada con la frecuencia (cuanto mayor sea la frecuencia, mayor será la pérdida), por lo que en el diseño del divisor/combinador de potencia, la selección del material de PCB debe tener en cuenta Considere cómo controlarlo para minimizar la pérdida de inserción del circuito.
En equipos pasivos de alta frecuencia, como divisores/combinadores o acopladores, la pérdida de inserción es en realidad la suma de múltiples pérdidas, incluidas las pérdidas dieléctricas, las pérdidas de conductores, las pérdidas por radiación y las pérdidas por fugas. Si bien algunas de estas pérdidas pueden controlarse mediante un diseño cuidadoso del circuito, también pueden depender de las propiedades del material de la PCB, por lo que las pérdidas pueden minimizarse mediante una selección adecuada de los materiales de la PCB. El desajuste de impedancia (es decir, pérdida VSWR) también causa pérdidas, pero estas pueden minimizarse seleccionando materiales de PCB con una constante dieléctrica constante.
Al diseñar divisores/combinadores y acopladores de potencia con valores de alta potencia, minimizar las pérdidas es fundamental porque a altas potencias las pérdidas se convierten en calor y se transfieren al dispositivo y se disipan en el material de la PCB, lo que afecta la Valor de la constante dieléctrica (y valor de impedancia) del material.
En resumen, al diseñar y procesar divisores/combinadores y acopladores de potencia de alta frecuencia, la selección del material de PCB debe basarse en una serie de propiedades clave diferentes del material, incluidos valores de constantes dieléctricas y materiales intermediarios. Continuidad de las constantes eléctricas. , factores ambientales como la temperatura, la reducción de pérdidas de materiales (incluidas las pérdidas dieléctricas y las pérdidas de conductores) y la capacidad de energía. La selección de materiales de PCB para una aplicación específica contribuye al éxito de un diseño de acoplador o divisor de potencia de alta frecuencia.