低噪声放大器的电路材料选型条件

2021-04-29 15:21:25      点击:
低噪声放大器(LNAs)对于很多高频接收机是必不可少的,它可在保持噪声为最小值的同时提供所需的增益。设计有效的LNA电路通常可归结为对有源器件的关键选择,如晶体管集总电路(IC)。但是正确印刷电路板(PCB)材料的选择也与LNA性能目标的实现有很大的关系,因为电路层压板对最终的放大器噪声系数有非常大的影响。本文旨在帮助工程师弄清在选择射频/微波LNA的PCB材料时需要注意哪些因素。

一般而言,一致性对任何用于LNA电路的材料都很重要,无论是介电常数介质厚度还是导体厚度。LNA设计中的电路和器件间必须达成严格的阻抗匹配以减少噪声。介电常数或PCB的介质厚度的过多变动都会导致无源电路元件的不一致,以及低噪声晶体管与集成电路间难以匹配,随之产生噪声系数随频率的变化。

在选择PCB材料时LNA设计者会寻找什么?LNA电路设计的成功涉及到很多不同的因素,包括使用具有最小导体损耗和介电损耗的PCB材料,以及可以制造无源元件的电路材料,该无源元件要达到电路和有源器件间所必需的的紧密阻抗匹配以满足优越的低噪电路条件。显而易见,电路阻抗不匹配会使LNA的噪声指数增加,因此可通过最小化与有源器件间的不匹配来优化噪声系数性能。未对特定有源器件进行阻抗匹配优化的电路可能导致工作不稳定,因为不当匹配时低噪有源器件可在高于基频范围的频率自激。

低耗介质材料通常是射频或微波LNA的基础,以求尽量减小到达LNA有源电路及LNA电路内部的传输损耗。尤其要注意的是,通向LNA输入端口的传输损耗尽量小很重要,因为这种损耗会直接增加放大器的噪声指数。

LNA设计者通常的电路“起始点”之一是罗杰斯公司的RO4350BTM电路层压板,该层压板适用于全部毫米波频率的LNA。该材质具有很多吸引LNA设计者的特性,包括严格控制的介电常数、低介质损耗因数和高导热性。RO4350B材料在10GHz时z轴方向上的介电常数为3.48,而整个板材的介电常数一致度保持在±0.05以内。 对于LNA设计者来说,这一特性有助于得到低噪声放大器的一个由频率、输入电平、温度以及其他运行条件决定的噪声数值。

RO4350B材料也表现出低导体损耗低介电损耗,这二者对于LNA低噪声系数的实现都是必不可少的。在PCB材料中,损耗性能通常用损耗因子来进行比较,而在RO4350B材料中,在10GHz时z轴方向上的损耗因子通常为0.0037,在2.5GHz时z轴方向上的损耗因子则降为0.0031。
这种材料还具有许多其他特性,并为之受到了射频/微波LNA设计师们的青睐。其低粗糙度铜箔的版本RO4350B LoPro,能够降低导体损耗。RO4350B和RO4350B LoPro 电路材料的特点都是低介损耗,并且两个电路材料都可以采用标准FR-4环氧基树脂/玻璃电路材料加工方法来实现电路加工。这些标准电路加工方法包括可靠性镀通孔(PTHs)制造,不用考虑通常PTEE类的电路材料需要的特殊准备步骤。

与FR-4处理方法一样,RO4350B和RO4350B LoPro电路材料通常与低成本FR-4结合形成多层混压电路板。混压PCB板使用RO4000电路材料作为关键电气性能层,FR-4层可作为不甚关键的电气层。不同的板材通常用低耗粘结片连接,如罗杰斯公司的RO4450F半固化片,从而保持低损耗以利于形成优良的LNA低噪声性能。RO4450F 半固化片的特点是在10GHz处z轴方向上介电常数为3.52,10GHz处z轴方向上损耗因子为0.004,以及很好的尺寸稳定性,因此可获得LNA设计混压板的机械完整性。

LNA设计者在从器件中寻求最优噪声系数时,会寻找具有稳定介电常数和机械一致性,并且具有最低损耗因子的材料,以求获得最低的噪声系数。罗杰斯公司生产的RO3035TM电路层压板是构造具有尽可能低噪声系数的LNA的基石。这些电路材料在10GHz的z轴方向上,有着仅为0.0017几乎可以忽略的耗散因子,并在10GHz的z轴方向上保持着一个在3.50±0.05范围内波动的介电常数,这些电路材料对LNA电路的介电损耗几乎没有影响。为了在 LNA这类对温度敏感的电路中得到优良的机械稳定性,这些陶瓷填充的PTFE复合材料的平面内膨胀系数几乎与铜一致。它表现出良好的0.50W/m/K的热导率,这能够在全微波频段支持LNA的稳定性。

这些电路材料为不同有源芯片的LNA提供了稳定的性能指标,如低介电损耗和低导体损耗,从而能够获得各频段的低噪声系数。一些常规电路设计有助于达到更低 的LNA噪声指数,如在匹配网络中用高Q值而非低Q值电容,若可能的话用较薄的而非较厚的电路板材。但是,总体上,选择一个在全频段具有稳定介电常数和低损耗因子(比如前面提到的几种电路材料)的电路层压板,对于追求射频/微波频段最低的LNA噪声系数也只能是提供一种帮助。


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