专家教你解决射频设计中的热问题

热量管理是所有电路设计人员都关心的一个问题，特别是针对大信号时。在射频/微波电路中，大信号常见于功率放大器和系统发送端元件。不管是连续波(CW)信号还是脉冲信号，如果产生的热量得不到有效疏导，它们都将导致印制电路板(PCB)上和系统中的热量积聚。对电子设备来说，发热意味着工作寿命的缩短。

防止电路热量积聚需要一定的想象力：可以想象成热量从一个热源(如功率晶体管)流向一个目的地(如散热片或设备底座)。

理解热量在系统各射频/微波元件中是如何产生的也有助于热量分析。例如，功率放大器发热不是仅因其工作在大功率级，诸如放大器效率、放大器输出端的阻抗匹配(VSWR)以及源自放大器输出的热路径等因素都会影响放大器热量的产生。尽管具有50%效率的功率放大器似乎已经很不错，但这也会浪费掉系统供给它的一半能量，其中大部分以热量的形式损失掉了。

除功率放大器外，像滤波器和功率分配器这样的无源器件的插入损耗以及元件、同轴电缆和其它互连器件连接处的阻抗不匹配(高VSWR)也会导致“散热障碍”。高效的热管理需要了解热量从源(例如放大器)流过所有连接电缆和其它元件再到散热终点的热量流动过程。

在电路层面，热管理也是放大器自身的一个问题，因为热量从放大器的有源器件向外流动——有些热量通过电路板材料，有些进入周围元件，有些流入电路板上下方周围的空气。理想情况下，可以提供一条让热量从有源器件正确地散发出来的路径，因为这些器件周围的热量积聚也会缩短它们的工作寿命。此外，这些热量可能对某些器件造成有害影响，比如在硅双极型晶体管中温度的不断上升，即通常所说的“热失控”。

在散热不当的情况下，有些器件相比其它器件更易受到损坏。例如，GaAs半导体衬底的导热率大约只有硅器件的三分之一。在高温下，GaAs晶体管也可能遭受记忆效应的影响(也就是说即使温度已经下降，器件仍可能工作在高温时的特定增益状态)，进而导致器件线性性能变差。

热量分析实质上是基于对器件或电路中使用的不同材料的研究，以及这些材料的热阻或其对热量流动的阻力。当然，反过来说就是材料的导热率，这是衡量材料导热能力的一个指标。热材料(比如导热胶和电路板材料)的数据手册中一般都列有这一参数，参数值越高，代表这种材料处理大功率级和发热量的能力就越高。

热阻可以用温度变化(该数值是作为所采用功率的函数)来描述，通常单位为℃/W。在为器件、电路板和系统建立热量模型时，必须考虑所有热效应的影响，这不仅包括器件的自发热效应，还包括其对周边器件的影响。由于这些交互作用的存在，热建模一般是通过构建一个带有全部发热器件的热矩阵来完成的。

在电路上，即使像电容这样的无源电路元件也可能对散热起作用。American Technical Ceramics公司的应用笔记《陶瓷电容中的ESR损耗(ESR Losses in Ceramic Capacitors)》就讨论了不同类型电容可以安全散发多大的功率，依据的是这些电容的等效串联电阻(ESR)额定值。该笔记还详细介绍了具有高ESR值的电容会如何泄漏便携式设备中电池的电能，进而导致电池寿命的缩短。另一个有用的参考是Hittite Microwave公司的应用笔记《表贴元件的热量管理(Thermal Management for Surface Mount Components)》，它介绍了如何将表面贴装元件包含进电路级热量模型中。

当然，为了使系统能考虑到所有的热量规划，正确的热量设计应从PCB级和选择最适合特定电路设计中功率和热量等级的PCB层压材料开始。在选择电路板层压材料时，不应只是简单地选择具有最高导热率的材料，还需要考虑在不同温度下的电气和机械稳定性。

例如，层压板可由其在所有三个方向(长、宽、厚)上的热膨胀系数(CTE)以及介电常数的热系数来描述。第一个参数代表了材料随温度变化而膨胀或收缩的程度，而第二个参数表明了介电常数随温度的变化情况。第一个参数对可靠性有很大影响，而第二个参数可能引起介电常数在不同温度下发生偏离，最终导致微带电路中的阻抗发生变化(例如，这种变化可能改变带通滤波器的中心频率)。

由于很多系统(包括商业通信和战术军事系统)都需要具有高可靠性和稳定的电气性能，电路板材料供应商近年来非常关注热管理问题，开发出的材料不仅能够处理类似功率放大器等电路中的较高功率级，而且在高温下不会发生电气性能改变。例如，Rogers Corporation公司最近发布的RT/duroid 6035HTC电路材料就是一种陶瓷填充PTFE复合材料，其导热率高达1.44 W/m/K，是标准FR-4型电路板材料的好几倍(见图1)。这种材料整合了稳定的机械与电气性能以及导热性能，因此可作为高频功率放大器的理想材料。

图1：新开发的RT/duroid 6035HTC电路材料用来满足设计人员对改善高温性能的需求

选择正确的材料有助于热量管理，但同样要求做热量分析。如果考虑到设计中每个有源器件的温度，那么正确的热量分析会非常耗时。为了帮助分析，安捷伦科技(Agilent Technologies)公司推出的先进设计系统(ADS)工具等商业软件仿真工具近年来都进行了升级，针对热建模专门增加了功能或软件工具。例如，Computer Simulation Technology公司的EM Studio电磁(EM)软件已被用于模拟双模滤波器中的温度分布情况，这套软件使用该公司的CST Microwave Studio软件工具首次计算了滤波器导电金属中的电流密度分布。

Chart 1. Four different 3.5 Dk laminate materials were tested, and the RT/duroid 6035HTC most effectively

dissipated heat away from the resistor to enable the lowest temperature rise.

Microwave Office软件设计工具套件供应商AWR公司在今年初与CapeSym公司签署了一份协议，成为CapeSym公司单片微波集成电路(MMIC)SYMMIC热分析建模软件的全球独零售商。

在专用热量分析工具方面，Daat Research公司提供了许多易用的建模工具，可实现从器件级直至系统级的所有层面分析，其中包括Coolit软件。对于那些对热量建模比较陌生而又想做实验的工程师，Freebyte提供了免费的热量分析软件，其中包括Harvard Thermal公司开发的TAS软件演示版和ThermoAnalytics公司开发的WinTherm软件演示版。

总结：

本文是对热量管理的一种讨论，并提出实际例子的解决方案。选择正确的材料有助于热量管理，但同样要求做热量分析。如果考虑到设计中每个有源器件的温度，那么正确的热量分析会非常耗时。为了使系统能考虑到所有的热量规划，正确的热量设计应从PCB级和选择最适合特定电路设计中功率和热量等级的PCB层压材料开始。本文也正是基于这些问题的讨论和提出解决方案，并举出相关的例子为读者分析问题，并解决问题。