【选型】浅析如何选择适合卫星通信系统的线路板材料

2016-11-08 Rogers

太空也许是人类最后的探索疆域,但给地球提供卫星通信(satcom)的轨道卫星及其附属基础设施看起来还是那么的遥不可及。对于电子设备来说,太空可能是其最恶劣的工作环境之一,卫星的各种组成电路绝对不能失灵。卫星通信系统需要电路材料在恶劣环境和在轨运行的情况下,仍然能保持优良的性能和较高的可靠性。很少有线路板材料能满足卫星系统如此苛刻且具有挑战性的要求,只有那些具备特殊特性的材料才能胜任。


到底什么类型的线路板材料才能满足太空工作环境?对于在真空环境中工作的卫星,线路板材料的低放气率是一个至关重要的条件。放气率是释放困在固体里的气体,如 PCB材料中的气体。气体一旦释放,它可以凝聚在卫星中不同设备的表面上,这可能会导致电路和系统出现故障。


通常放气过程非常缓慢,需要很长一段时间,并且需要精确检测来确定线路板材料的放气量。美国国家标准协会(ANSI)开发了一种放气率的测试方法并将其定义的ANSI/ASTM E595-84标准。美国航空航天局(NASA)使用该标准并结合其内部的SP-R-022A测试方法测试真空条件下材料放气后质量变化来评估放气率。测试发现基于聚四氟乙烯(PTFE)的材料,如罗杰斯公司的RT/duroid 和TMM碳氢化合物复合线路板材料,都具有高度的耐出气的特性。


TMM系列热固性线路板材已被证实可应用于对可靠性要求较高的卫星通信系统,它是由一系列陶瓷、碳氢化合物以及热固性聚合物复合而成。它的z轴方向(厚度方向)的介电常数(Dk值)从3.27到12.85不等,其表现出的优良特征非常适合轨道卫星以及具有类似挑战性的工作环境。


除了真空条件外,太空中的线路板材料必须能应用于超出常规应用的各种极限温度。太空环境通常是寒冷和黑暗的,当卫星处于地球的阴影区时,由于没有大气的调节,环境温度会相当的低。相反,当卫星暴露在阳光下时,卫星的运行环境可以达到火炉般的温度。在轨卫星在这样的极端温度下不断循环。无论是在地球同步卫星还是对地球静止的卫星的应用,都会给线路板材料带来极大的温度冲击,因此需要PCB材料具有特别好热性能。


如何衡量线路板材料是否适用于卫星?其中一个关键特性指标是:材料的介电常数随工作温度的变化率。理想情况下,应用于太空的线路板材料不仅能适用于宽广的温度范围,而且介电常数在该温度范围内发生非常小的变化。材料的介电常数温度系数(TCDk)就能明显的反映出材料的稳定性。在商业、工业、军事系统以及太空环境中,材料必须耐得住较大的温度波动。卫星通信使用的大多数高频传输线的特性阻抗是50Ω。线路板材料介电常数的变化将引起特性阻抗的变化,从而导致电路性能的差异,例如幅度和相位特性的改变。


在太空电路应用中,使用介电常数温度系数(TCDk)值较低的线路板材是十分必要的,它可以减小由介电常数随温度变化而引起的性能变化。TMM材料设计的工作温度范围可从-55°C到+125°C,能应对太空环境中卫星的极端温度。在极端温度下,这些材料的介电常数变化很小,对于具有最低介电常数值的 TMM材料,介电常数会略微增加;对于介电常数值为6以及更高的TMM材料,介电常数会略微减少。


例如,对于10 GHz频率下的z轴(厚度)方向介电常数为3.27的TMM3层压板,TCDk非常低,只有+37 ppm/°K。另一种介电常数发生正向变化的TMM材料是TMM4层压板,它在10GHz频率下z轴的介电常数值为4.50。TMM6材料的介电常数减少随温度的变化几乎可以忽略不计,其z轴方向介电常数为6.00并且有-11 ppm/°K极低的TCDk。通常情况下,TCDk绝对值小于或等于50 ppm/°K的线路板材料被认为是具有相当好的温度特性。


TMM系列线路板材料为电路设计师提供具有广泛可选的介电常数值。设计师可以通过选择材料的介电常数值来实现电路小型化,节省空间。这可以通过使用具有较高介电常数值的PCB材料来实现(实现传输线具有相同的特性阻抗电路时使用低介电常数值PCB材料的电路尺寸相对较大)。通常这种电路小型化的代价是材料略差的TCDk,尽管具有较高介电常数值的TMM材料不会出现这种情况。例如,TMM10材料在10GHz下z轴的介电常数值为9.20,它有低至-38 ppm/°K的TCDk值。为了实现极端小型化,TMM13i线路板材料在z轴的介电常数值为12.85,它的TCDk值-70 ppm/°K,仍然是可以接受的。


TMM13i材料具有高度各向同性,它在三个方向轴(X,Y,Z)的介电常数值都接近12.85。大多数材料是各向异性的,z轴介电常数值不同于x和y轴的介电常数值。对于大多数电路,如微带线和带状线电路,主要关注的是z轴方向介电常数,因为这些传输线的电磁场(EM)大部分从材料的这个方向穿过。但是对于在x-y平面中具有EM场的电路,各向同性材料能提供可预测的性能。对于需要使用各向同性材料的电路,TMM10i材料具有较好的各向同性的,它是标准TMM10材料的升级版。TMM10i材料的z轴介电常数值比TMM10材料略高。TMM10i在 10GHz频率下z轴介电常数值为9.80,TMM10材料是9.20。


温度变化对应用于太空的线路板材料的选择起着决定性的作用,而电路设计师关心的另一个关键参数是材料的热膨胀系数(CTE)。CTE可以用来衡量线路板材料发热和冷却时的尺寸变化。由于大多数材料一定程度上会发生会热胀冷缩,CTE为0 ppm/°K的材料非常罕见。理想情况下,CTE值应尽可能低或接近导电材料的值,例如覆盖在PCB材料上铜箔(CTE约17 ppm/°C),这样介质和相接触的铜箔可一起随温度变化产生最小的应力。TMM材料在三个轴(X,Y,Z)上CTE值的范围为15到26 ppm/°K,相当接近于铜,因此即使在温度范围变化较大的卫星环境,其电路的仍具有高的可靠性。

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