微带式大功率匹配负载

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：50Ω•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：200×120×37•2、N-50KR-200W•特性阻抗：50Ω•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：220×150×50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。一、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。max0AVTTPT0.2303()(/w)2cdeefaahTcKwwefwcada•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：21/eefeC377eehwZ/1whcadadacaC20/ln10scRadBcmwZ•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300KV·cm-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，ε=2.65。sR722.610/sRfcm2maxmaxc2VPZmaxVw/h1当时：•由得出=2.30mm•再将=2.155mm，=56.45，•，••代入公式得到0875.98ln0.81.41hZwt1/2e1112h122w1ce120wwZ1.3930.66ln1.444hhwecZ35.5510/(1.0)cadBcmGHze0.454cmwT0.282/w(1.0GHz)c38.7810/(2.5)cadBcmGHzT0.527/w(2.5GHz)cmax797.2KWP355W(1.0GHz)180W(2.5GHz)AVAVPP结果远大于承载功率，设计选用微带线是可行的。112204-R1背面覆铜全部保留4-φ2.5325.32.33.350116.57.55•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。1054×22.5=90400-0.1227.530.552-R258.558.522.511-M2.5×611.25•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=hAη△T•h为散热器总的传热导率（w/cm2.℃），A为散热器的表面积（cm2），η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0.46W/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=100÷2.12=47.2（cm2）200W所需理论散热面积=200÷2.12=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η=55%，取安全系数K=3，100W所需实际散热面积=3×47.2÷55%≈258（cm2）200W所需实际散热面积=3×94.4÷55%≈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1379cm2；选用标准散热器HES-150作为200W，长度取220mm，其有效面积为3388cm2；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。78432169焊接•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。