如何選擇高頻器件功分器和耦合器的PCB材料

功分器和合路器是最常用/最常見(jiàn)的高頻器件，對(duì)于耦合器例如定向耦合器來(lái)說(shuō)也是如此。這些器件用于功分、合路、耦合來(lái)自天線或系統(tǒng)內(nèi)部的高頻能量，且 損耗和泄露很小。PCB板材的選擇對(duì)于這些器件實(shí)現(xiàn)所預(yù)想的性能來(lái)講是一個(gè)關(guān)鍵因素。當(dāng)設(shè)計(jì)和加工功分器/合路器/耦合器時(shí)，理解PCB材料的性能如何影 響這些器件最終的性能是很有幫助的，例如：能夠幫助對(duì)選定板材的一系列不同性能指標(biāo)做出限制，包括頻率范圍，工作帶寬，功率容量。

許多各種不同的電路用于設(shè)計(jì)功分器(反過(guò)來(lái)用即是合路器)和耦合器，它們具有各種不同的形式。功分器有簡(jiǎn)單的雙路功分以及復(fù)雜的N路功分，視系統(tǒng)實(shí)際 的需要而定。很多不同的定向耦合器以及其他類型的耦合器近些年來(lái)也有很大發(fā)展，包括威爾金森和阻性功分器以及蘭格耦合器和正交混合節(jié)電橋，它們有很多不同 的形式和尺寸。在這些電路設(shè)計(jì)中選擇合適的PCB材料有助于其達(dá)到最佳的性能。

這些不同的電路類型都會(huì)折衷考慮設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)和性能，幫助設(shè)計(jì)者針對(duì)不同的應(yīng)用選擇板材。威爾金森雙路功分器，是通過(guò)單一的輸入信號(hào)來(lái)提供雙路相等幅度 和相位的輸出信號(hào)，實(shí)際上是一個(gè)“無(wú)耗”電路，設(shè)計(jì)使得其提供一對(duì)比原信號(hào)小3dB(或者說(shuō)是原信號(hào)一半)的輸出信號(hào)(功分器每個(gè)端口的輸出功率是隨著輸 出端口數(shù)的增加而減小)。相比來(lái)說(shuō)，阻性的雙路功分器則提供一對(duì)比原信號(hào)小6dB的輸出信號(hào)。阻性功分器中在每條支路增加的阻抗增加了損耗，但也增加了兩 路信號(hào)之間的隔離。

和許多電路設(shè)計(jì)一樣，介電常數(shù)(Dk)一般都是選擇不同PCB材料的起點(diǎn)，并且功分器/功率合成器的設(shè)計(jì)者一般都傾向于采用高介電常數(shù)(Dk)的電路 材料，因?yàn)檫@些材料相比于低介電常數(shù)材料來(lái)說(shuō)可以在更小尺寸的電路上提供有效的電磁耦合。高介電常數(shù)的電路存在一個(gè)問(wèn)題，即電路板中的介電常數(shù)存在各向異 性或者說(shuō)在x，y，z方向上電路板材的介電常數(shù)值均不同。在同一方向上的介電常數(shù)變化很大時(shí)，同樣很難得到阻抗均一的傳輸線。

保持阻抗不變性在實(shí)現(xiàn)功分器/合路器特性時(shí)十分重要，介電常數(shù)(阻抗)的變化會(huì)導(dǎo)致電磁能量和功率分配的不均勻。幸運(yùn)的是，存在具有優(yōu)越各向同性的商 業(yè)PCB材料可以用于這些電路中，如TMM 10i電路材料。這些材料具有相對(duì)高的介電常數(shù)值9.8，并且在三個(gè)坐標(biāo)軸方向上保持在9.8+/-0.245的水平上(在10GHz下測(cè)量)。這也可以 理解成，功分器/合路器和耦合器的傳輸線中，均一的阻抗特性可以使得器件中電磁能量的分配恒定并且可測(cè)。對(duì)于更高介電常數(shù)的PCB材料，TMM 13i層壓板具有12.85的介電常數(shù)并且在三個(gè)軸的變化在+/-0.35以內(nèi)(10GHz)。

當(dāng)然，在設(shè)計(jì)功分器/功率合成器以及耦合器時(shí)，恒定的介電常數(shù)以及阻抗特性只是PCB材料參數(shù)的其中之一需要考慮的。當(dāng)設(shè)計(jì)功分器/合路器或耦合器電 路時(shí)，最小化插入損耗通常是一個(gè)重要的目標(biāo)，理想情況下，一個(gè)雙路的威爾金森功分器可以提供給兩個(gè)輸出端口-3dB或一半的輸入電磁能量。實(shí)際上，每個(gè)功 分器/合路器(和耦合器)電路都會(huì)有一定的插入損耗，通常依賴于頻率(當(dāng)頻率升高損耗也升高)，所以對(duì)于一個(gè)功分器/合路器的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，PCB材料的選擇 需要考慮如何控制，使得電路的插入損耗最小。

在無(wú)源高頻器件如功分器/合路器或耦合器中，插入損耗實(shí)際上是很多損耗的總和，包括介質(zhì)損耗，導(dǎo)體損耗，輻射損耗以及泄露損耗。其中的一些損耗可以通 過(guò)精心的電路設(shè)計(jì)來(lái)加以控制，它們也有可能依賴于PCB材料的特性并且可以通過(guò)合理地選擇PCB材料來(lái)使其損耗最小。阻抗不匹配(即駐波比損耗)可以導(dǎo)致 損耗，但是可以通過(guò)選擇恒定介電常數(shù)的PCB材料來(lái)減小。

最小化損耗在設(shè)計(jì)高功率值的功分器/合路器和耦合器中非常關(guān)鍵，因?yàn)樵诟吖β氏聯(lián)p耗會(huì)轉(zhuǎn)化為熱量并消散在器件和PCB材料中，而熱量會(huì)對(duì)材料的介電常數(shù)值(和阻抗值)產(chǎn)生影響。

總之，當(dāng)設(shè)計(jì)和加工高頻功分器/合路器和耦合器時(shí)，PCB材料的選擇應(yīng)該基于很多不同的關(guān)鍵材料特性，包括介電常數(shù)值，材料中介電常數(shù)的連續(xù)性，環(huán)境 因素如溫度，減小材料的損耗包括介質(zhì)損耗和導(dǎo)體損耗以及功率容量。針對(duì)具體的應(yīng)用選擇PCB材料有助于設(shè)計(jì)高頻功分器/合路器或耦合器時(shí)取得成功。