Когато високочестотният/микровълнов радиочестотен сигнал се подава в PCB верига, загубата, причинена от самата верига и материала на веригата, неизбежно ще генерира определено количество топлина. Колкото по-голяма е загубата, толкова по-висока е мощността, преминаваща през материала на печатната платка, и толкова по-голяма е генерираната топлина. Когато работната температура на веригата надвиши номиналната стойност, веригата може да причини някои проблеми. Например, типичният работен параметър MOT, който е добре познат в печатните платки, е максималната работна температура. Когато работната температура надвиши MOT, производителността и надеждността на веригата на печатната платка ще бъдат застрашени. Чрез комбинацията от електромагнитно моделиране и експериментални измервания, разбирането на термичните характеристики на RF микровълнови печатни платки може да помогне за избягване на влошаване на производителността на веригата и влошаване на надеждността, причинено от високи температури.

Разбирането на това как възниква загубата на вмъкване в материалите на веригата помага за по-добро описание на важните фактори, свързани с топлинните характеристики на високочестотните платки. Тази статия ще вземе схемата на микролентова предавателна линия като пример, за да обсъдим компромисите, свързани с термичните характеристики на веригата. В микролентова верига с двустранна PCB структура, загубите включват диелектрични загуби, загуба на проводник, загуба на радиация и загуба на изтичане. Разликата между различните компоненти на загубата е голяма. С малки изключения, загубата от изтичане на високочестотни печатни платки обикновено е много ниска. В тази статия, тъй като стойността на загубата от изтичане е много ниска, тя ще бъде игнорирана за момента.

Радиационна загуба

Загубата на радиация зависи от много параметри на веригата, като работна честота, дебелина на субстрата на веригата, диелектрична константа на печатната платка (относителна диелектрична константа или εr) и план за проектиране. Що се отнася до проектните схеми, загубата на радиация често произтича от лоша трансформация на импеданса във веригата или разлики в предаването на електромагнитни вълни във веригата. Зоната за трансформация на импеданса на веригата обикновено включва зона за подаване на сигнал, точка на стъпаловидно съпротивление, заглушка и съвпадаща мрежа. Разумният дизайн на веригата може да реализира плавна трансформация на импеданса, като по този начин намалява радиационните загуби на веригата. Разбира се, трябва да се осъзнае, че има възможност за несъответствие на импеданса, което води до загуба на радиация на всеки интерфейс на веригата. От гледна точка на работната честота, обикновено колкото по-висока е честотата, толкова по-голяма е радиационната загуба на веригата.

Параметрите на материалите на веригата, свързани със загубата на радиация, са основно диелектрична константа и дебелина на материала на печатната платка. Колкото по-дебел е субстратът на веригата, толкова по-голяма е възможността за причиняване на радиационна загуба; колкото по-ниско е εr на материала на печатната платка, толкова по-голяма е радиационната загуба на веригата. При цялостно претегляне на характеристиките на материала, използването на субстрати с тънки вериги може да се използва като начин за компенсиране на радиационните загуби, причинени от материалите на веригата с ниски εr. Влиянието на дебелината на субстрата на веригата и εr върху загубата на радиация на веригата е, защото това е честотно-зависима функция. Когато дебелината на основата на веригата не надвишава 20 mil и работната честота е по-ниска от 20 GHz, загубата на радиация на веригата е много ниска. Тъй като повечето от честотите за моделиране и измерване на веригата в тази статия са по-ниски от 20GHz, дискусията в тази статия ще игнорира влиянието на загубата на радиация върху нагряването на веригата.

След пренебрегване на радиационната загуба под 20GHz, загубата на вмъкване на веригата на микролентова преносна линия включва главно две части: диелектрична загуба и загуба на проводник. Съотношението на двете зависи главно от дебелината на субстрата на веригата. За по-тънки субстрати загубата на проводник е основният компонент. Поради много причини обикновено е трудно да се предвиди точно загубата на проводник. Например, грапавостта на повърхността на проводника има огромно влияние върху характеристиките на предаване на електромагнитните вълни. Грапавостта на повърхността на медното фолио не само ще промени константата на разпространение на електромагнитната вълна на микролентовата верига, но също така ще увеличи загубата на проводник на веригата. Поради скин ефекта, влиянието на грапавостта на медното фолио върху загубата на проводник също е зависимо от честотата. Фигура 1 сравнява загубата на вмъкване на 50 ома микролентови вериги за предаване на базата на различни дебелини на печатни платки, които са съответно 6.6 mils и 10 mils.

25

Фигура 1. Сравнение на 50 ома микролентови схеми за предаване на базата на PCB материали с различна дебелина

Измерени и симулирани резултати

Кривата на фигура 1 съдържа резултатите от измерването и резултатите от симулацията. Резултатите от симулацията са получени чрез използване на софтуера за изчисляване на микровълнов импеданс MWI-2010 на Rogers Corporation. Софтуерът MWI-2010 цитира аналитичните уравнения в класическите статии в областта на моделирането на микролентови линии. Данните от теста на фигура 1 са получени чрез метода за измерване на диференциална дължина на векторен мрежов анализатор. От фиг. 1 може да се види, че резултатите от симулацията на кривата на общата загуба в общи линии съответстват на измерените резултати. От фигурата може да се види, че загубата на проводник на по-тънката верига (кривата вляво съответства на дебелина от 6.6 mil) е основният компонент на общата загуба на вмъкване. С увеличаването на дебелината на веригата (дебелината, съответстваща на кривата вдясно, е 10 mil), диелектричните загуби и загубата на проводник имат тенденция да се приближават и двете заедно съставляват общата загуба на вмъкване.

Симулационният модел на фигура 1 и параметрите на материала на веригата, използвани в действителната верига, са: диелектрична константа 3.66, коефициент на загуба 0.0037 и грапавост на повърхността на медния проводник 2.8 um RMS. Когато грапавостта на повърхността на медното фолио под същия материал на веригата се намали, загубата на проводник на веригите 6.6 mil и 10 mil на фигура 1 ще бъде значително намалена; обаче ефектът не е очевиден за веригата от 20 mil. Фигура 2 показва резултатите от теста на два материала на веригата с различна грапавост, а именно Rogers RO4350B™ стандартен материал за верига с висока грапавост и Rogers RO4350B LoPro™ материал с ниска грапавост.

Фигура 2 показва предимствата на използването на гладка повърхност от медно фолио за обработка на микролентови вериги. За по-тънки основи, използването на гладко медно фолио може значително да намали загубата на вмъкване. За субстрат 6.6 mil, загубата на вмъкване е намалена с 0.3 dB при 20 GHz поради използването на гладко медно фолио; 10mil субстратът се намалява с 0.22 dB при 20GHz; и 20 mil субстрата, загубата на вмъкване се намалява само с 0.11 dB.

Както е показано на Фигура 1 и Фигура 2, колкото по-тънък е субстратът на веригата, толкова по-голяма е загубата на вмъкване на веригата. Това означава, че когато веригата се захранва с определено количество радиочестотна микровълнова мощност, колкото по-тънка е веригата, тя ще генерира повече топлина. При цялостно претегляне на въпроса за отоплението на веригата, от една страна, по-тънката верига генерира повече топлина от дебелата верига при високи нива на мощност, но от друга страна, по-тънката верига може да получи по-ефективен топлинен поток през радиатора. Поддържайте температурата сравнително ниска.

За да се реши проблемът с отоплението на веригата, идеалната тънка верига трябва да има следните характеристики: нисък коефициент на загуба на материала на веригата, гладка медна тънка повърхност, нисък εr и висока топлопроводимост. В сравнение с материала на веригата с висок εr, ширината на проводника със същия импеданс, получена при условие на нисък εr, може да бъде по-голяма, което е от полза за намаляване на загубата на проводник на веригата. От гледна точка на разсейването на топлината на веригата, въпреки че повечето субстрати на високочестотни печатни платки имат много ниска топлопроводимост спрямо проводниците, топлопроводимостта на материалите на веригата все още е много важен параметър.

Много дискусии относно топлопроводимостта на субстратите на веригата бяха разработени в по-ранни статии и тази статия ще цитира някои резултати и информация от по-ранни статии. Например, следното уравнение и фигура 3 са полезни за разбиране на факторите, свързани с топлинните характеристики на материалите на платката. В уравнението k е топлопроводимостта (W/m/K), A е площта, TH е температурата на източника на топлина, TC е температурата на източника на студ и L е разстоянието между източника на топлина и източникът на студ.