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1、微带式大功率匹配负载 去年有客户要大功率负载,其具体指标如下: 1、N-50KR-100W 特性阻抗:50 工作频率:DC-2.5GHz 电压驻波比: 1.10(DC-1GHz); 1.20(1GHz-2.5GHz) 平均功率: 100W 峰值功率:10KW 外形尺寸:20012037 2、N-50KR-200W 特性阻抗:50 工作频率:DC-1GHz 电压驻波比: 1.20(DC-1GHz) 平均功率: 200W 峰值功率:20KW 外形尺寸:22015050简单地讲负载是是传输线中的终端装置,主要 用于吸收射频或微波系统的功率。匹配负载是将 传输线电磁能量几乎全吸收的功率器件,要求在 工
2、作频带内剩余反射要小,即相应的驻波比尽可 能的小。负载主要用于测试仪器的测试端口,电 台,雷达站的吸收终端,通讯测试设备的终端, 雷达发射调试和测试,调试发射机时作等效天线 。平时我公司生产的大多数都是小功率负载,对 于大功率负载是首次试制,它属于无源微波器件 ,具有一定的技术含量,虽然批量不大,但利润较 高,而且国内生产厂家也不多,因此市场前景较 好。负载按结构分为微带吸收式,同轴吸收式,波 导式和高功率金属负载。由于客户要求负载功率 为100W及200W,按照通常结构我们采用同轴保 证功率要求,但是我们发现市场上没有大功率同 轴电阻(柱状电阻),只有大功率片式电阻,这 样如果采用同轴结构必
3、然造成同轴内导体与电阻 连接处阻抗严重不匹配,指标也必然不好;因此 我们决定采用微带线结构,让微带线的阻抗与电 阻一致,并且需要保证两者阻抗连续且连接可靠 ,这时我们重点考虑的是微带线承载功率是否满 足要求。1、计算微带线承载功率: 1、微带线的最大平均功率式中TMAX是最高工作温度,即基片的电和物理特性 可视为不变时的最高温度;T0是环境温度;T是 每瓦功率的温升。式中:K是基片的热导率即聚四氟乙烯的热导率查 表为0.001; 是微带线的平行板波导模型的等效 宽; 是导体损耗; 是介质损耗。 对于 的微带线,导体的损耗 比介质 的损耗 大的多,相比之下, 的作用可以 忽略, 可用近似公式:
4、是铜的表面电阻率 , 2、微带线的最大峰值功率 是微带线能承受(不致引起介质击穿)的最 高电压,聚四氟乙烯介质耐压为300KVcm-1。根 据上面公式发现,带线的宽度对功率影响较大, 带线越宽承载的功率越大;板厚越厚热阻越大, 散热就越差,但板厚太薄导体带线就越窄,导体 的衰减太大承载的功率就越小;综合考虑,决定 采用玻璃纤维强化聚四氟乙烯覆铜板厚度 h=1.0mm,=2.65。由 得出 =2.30mm再将 =2.155mm, =56.45, , 代入公式得到结果远大于承载功率,设计选用微带线是可行的。 二、腔体的计算: 我们知道微带电路需要用腔体将微带线封闭起来 , 除接地导体外,离微带线带
5、条的有限距离处还存在 着 导电边界,这些边界显著影响电路的性能,影响的 程 度依赖于微带电路和导体边界的距离,为减少辐射 损 耗和交叉干扰,通常要求腔体的宽度大于5倍的线 宽, 腔高大于5倍的板厚,但是腔过高将增加腔体总高度 , 浪费材料,经验通常取5mm以上,对带线影响就 不 大。因此腔宽取22mm便于安装螺钉,腔高取5mm 。 三、散热器设计: 在使用功率器件时最重要的是如何使其产生 的热量有效散发出去,以获得高可靠性。散 热的最一般方法是把器件安装在散热器上, 散热器将热量辐射到周围的空气中,通过自 然对流来散发热量。一般散热器到周围的空 气的热流量(P)可有如下公式:P=hAT h为散
6、热器总的传热导率(w/cm2.),A为 散热器的表面积(cm2),为散热器效率, T为散热器的最高温度与环境温度之差( )。总之,散热器的表面积越大,散热的效 率越高,环境温度之差越大,散热器的热量 辐射越有效。所以选用热传导率高的材料,如铝为2.12W/cm2. , 铜为3.85W/cm2.,而钢只有0.46 W/cm2.就相当 差了。为了降低成本及考虑重量问题,我们决定选 用标准铝型材散热器,因此必须确定散热面积。100W所需理论散热面积=1002.12=47.2(cm2)200W所需理论散热面积=2002.12=94.4(cm2) 考虑到实际散热器效率及环境条件,取其效率取其 效率=55
7、%,取安全系数K=3, 100W所需实际散热面积=347.255%258(cm2 ) 200W所需实际散热面积=394.455%515(cm2 ) 通过计算我们选用标准散热器HEJ-141作为 100W, 长度取200mm,其有效面积为1379 cm2;选用标 准 散热器HES-150作为200W,长度取220mm,其 有效 面积为3388 cm2;可以看出散热面积远大于实际 需要 面积,这样可以高可靠使其产生的热量有效散发 出 去,并且符合客户外形要求。另外散热器表面处 理很 关键,表面进行阳极氧化和发黑处理,通常在自 然冷 却情况可提高10%-15%,强迫风冷可提高30%。四、整体结构:所
8、有零件已经设计完成,现在考虑到各个零件之 间 的有效连接及阻抗的连续性一致性。 1、接头与微带线路板之间: 选用接头尾部为微带形式,采用焊接形式连接线路 板。 如果阻抗不匹配通过调整焊点大小及微调线路板尺 寸 即可。 2、微带线路板与电阻之间: 微带线路板与电阻之间阻抗匹配成为关键问题,通 过客户推荐的安装方法,电阻引脚可以平于或高于 带 线表面,考虑到加工方便问题,我们决定采用于电 阻引脚高于微带线表面,试制中发现两者之间始终 是 阻抗无法匹配,后采用降低电阻高度,让引脚与 微 带线平齐,指标一下很好,所以可以看出电阻引 脚 高度与微带线表面一定要平齐。 3、降低接触热阻: 为了有效的降低接触热阻,需要在散热部位涂一 层 薄薄的导热硅脂,可以降低热阻25-30%,因此 在电 阻与腔体之间、腔体与散热器之间涂导热硅脂在 大 功率产品中至关重要。 五、结论: 这两款产品试制后发现了一些问题,通过 调整 线路板及电阻位置,产品的性能达到客户要求 。 通过此产品的研发,可以发现每一种新品的 开 发都需要多方面的理论支持,也就是需要我们 不断 的学习各方面知识,作为设计更需要的是学习 新知 识和自己的动手能力,这样才可以在试制中发 现问 题,不断总结经验,也只有这样才能使自己的 能力 不断提升。