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

Radiation loss depends on many circuit parameters such as operating frequency, circuit substrate thickness, PCB dielectric constant (relative dielectric constant or εr) and design plan. As far as design schemes are concerned, radiation loss often stems from poor impedance transformation in the circuit or electromagnetic waves in the circuit. The difference in transmission. Circuit impedance transformation area usually includes signal feed-in area, step impedance point, stub and matching network. Reasonable circuit design can realize smooth impedance transformation, thereby reducing the radiation loss of the circuit. Of course, it should be realized that there is the possibility of impedance mismatch leading to radiation loss at any interface of the circuit. From the point of view of operating frequency, usually the higher the frequency, the greater the radiation loss of the circuit.

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.

The simulation results are obtained using Rogers Corporation’s MWI-2010 microwave impedance calculation software. The MWI-2010 software quotes the analytical equations in the classic papers in the field of microstrip line modeling. The test data in Figure 1 is obtained by the differential length measurement method of a vector network analyzer. It can be seen from Fig. 1 that the simulation results of the total loss curve are basically consistent with the measured results. It can be seen from the figure that the conductor loss of the thinner circuit (the curve on the left corresponds to a thickness of 6.6 mil) is the main component of the total insertion loss. As the circuit thickness increases (the thickness corresponding to the curve on the right is 10mil), the dielectric loss and the conductor loss tend to approach, and the two together constitute the total insertion loss.

The circuit material parameters used in the simulation model and the actual circuit are: dielectric constant 3.66, loss factor 0.0037, and copper conductor surface roughness 2.8 um RMS. When the surface roughness of the copper foil under the same circuit material is reduced, the conductor loss of the 6.6 mil and 10 mil circuits in Figure 1 will be significantly reduced; however, the effect is not obvious for the 20 mil circuit. Figure 2 shows the test results of two circuit materials with different roughness, namely Rogers RO4350B™ standard circuit material with high roughness and Rogers RO4350B LoPro™ circuit material with low roughness.

For thinner substrates, the use of smooth copper foil can significantly reduce the insertion loss. For the 6.6mil substrate, the insertion loss is reduced by 0.3 dB due to the use of smooth copper foil at 20GHz; the 10mil substrate is reduced by 0.22 dB at 20GHz; and the 20mil substrate, the insertion loss is only reduced by 0.11 dB.

This means that when the circuit is fed with a certain amount of RF microwave power, the thinner the circuit will generate more heat. When comprehensively weighing the issue of circuit heating, on the one hand, a thinner circuit generates more heat than a thick circuit at high power levels, but on the other hand, a thinner circuit can obtain more effective heat flow through the heat sink. Keep the temperature relatively low.

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.