Kada se visokofrekventni/mikrovalni radio frekvencijski signal ubaci u PCB krug, gubitak uzrokovan samim krugom i materijalom kola neizbježno će generirati određenu količinu topline. Što je veći gubitak, to je veća snaga koja prolazi kroz PCB materijal i veća je toplina koja se stvara. Kada radna temperatura kruga premaši nazivnu vrijednost, krug može uzrokovati neke probleme. Na primjer, tipičan radni parametar MOT, koji je dobro poznat u PCB-ima, je maksimalna radna temperatura. Kada radna temperatura pređe MOT, performanse i pouzdanost PCB kola će biti ugroženi. Kroz kombinaciju elektromagnetnog modeliranja i eksperimentalnih mjerenja, razumijevanje termičkih karakteristika RF mikrovalnih PCB-a može pomoći u izbjegavanju degradacije performansi kola i degradacije pouzdanosti uzrokovane visokim temperaturama.

Razumijevanje kako dolazi do gubitka umetanja u materijalima kola pomaže u boljem opisu važnih faktora koji se odnose na termičke performanse visokofrekventnih PCB kola. Ovaj članak će uzeti mikrotrakasto kolo dalekovoda kao primjer kako bismo razgovarali o kompromisima vezanim za termičke performanse kola. U mikrotrakastu kolu sa dvostranom PCB strukturom, gubici uključuju dielektrične gubitke, gubitak provodnika, gubitak radijacije i gubitak zbog curenja. Razlika između različitih komponenti gubitaka je velika. Uz nekoliko izuzetaka, gubitak zbog curenja visokofrekventnih PCB kola je općenito vrlo nizak. U ovom članku, budući da je vrijednost gubitka zbog curenja vrlo niska, za sada će se zanemariti.

Gubitak zračenja

Gubitak zračenja zavisi od mnogih parametara kola kao što su radna frekvencija, debljina podloge kola, dielektrična konstanta PCB-a (relativna dielektrična konstanta ili εr) i plan dizajna. Što se tiče projektnih shema, gubitak zračenja često proizlazi iz loše transformacije impedanse u kolu ili razlika u prijenosu elektromagnetnih valova u kolu. Područje transformacije impedanse kruga obično uključuje područje za unos signala, tačku impedanse koraka, stub i mrežu uparivanja. Razuman dizajn kola može ostvariti glatku transformaciju impedancije, čime se smanjuje gubitak radijacije kola. Naravno, treba imati na umu da postoji mogućnost neusklađenosti impedancije koja dovodi do gubitka radijacije na bilo kojem sučelju kola. Sa stanovišta radne frekvencije, obično što je frekvencija veća, to je veći gubitak radijacije kruga.

Parametri materijala kola koji se odnose na gubitak radijacije su uglavnom dielektrična konstanta i debljina PCB materijala. Što je podloga kola deblja, to je veća mogućnost izazivanja gubitka radijacije; što je niži εr materijala PCB-a, veći je gubitak radijacije u krugu. Sveobuhvatno vagajući karakteristike materijala, upotreba supstrata tankog kola može se koristiti kao način da se nadoknadi gubitak radijacije uzrokovan materijalima kola sa niskim εr. Utjecaj debljine podloge kola i εr na gubitak radijacije kruga je zato što je to funkcija zavisna od frekvencije. Kada debljina podloge kola ne prelazi 20 mil, a radna frekvencija je niža od 20 GHz, gubitak radijacije kola je veoma nizak. Budući da je većina frekvencija modeliranja i mjerenja kola u ovom članku niža od 20 GHz, rasprava u ovom članku će zanemariti utjecaj gubitka zračenja na grijanje kruga.

Nakon zanemarivanja gubitka radijacije ispod 20GHz, gubitak umetanja mikrotrakastog dalekovodnog kruga uglavnom uključuje dva dijela: dielektrični gubitak i gubitak provodnika. Proporcija ova dva uglavnom zavisi od debljine podloge kola. Za tanje podloge gubitak provodnika je glavna komponenta. Iz mnogo razloga, općenito je teško precizno predvidjeti gubitak provodnika. Na primjer, hrapavost površine vodiča ima veliki utjecaj na karakteristike prijenosa elektromagnetnih valova. Hrapavost površine bakrene folije ne samo da će promijeniti konstantu širenja elektromagnetskog talasa mikrotrakastog kola, već će i povećati gubitak provodnika u krugu. Zbog skin efekta, utjecaj hrapavosti bakrene folije na gubitak provodnika također ovisi o frekvenciji. Slika 1 upoređuje gubitak umetanja mikrotrakastih dalekovodnih kola od 50 oma na osnovu različitih debljina PCB-a, koje iznose 6.6 mils i 10 mils, respektivno.

25

Slika 1. Poređenje mikrotrakastih dalekovodnih kola od 50 oma na bazi PCB materijala različitih debljina

Mjereni i simulirani rezultati

Kriva na slici 1 sadrži rezultate mjerenja i rezultate simulacije. Rezultati simulacije su dobijeni korišćenjem softvera za proračun mikrotalasne impedance kompanije Rogers Corporation MWI-2010. Softver MWI-2010 citira analitičke jednačine u klasičnim radovima iz oblasti modeliranja mikrotrakastih linija. Podaci testa na slici 1. dobiveni su metodom mjerenja diferencijalne dužine vektorskog mrežnog analizatora. Sa slike 1 se može vidjeti da su rezultati simulacije krivulje ukupnih gubitaka u osnovi konzistentni s izmjerenim rezultatima. Iz slike se vidi da je gubitak provodnika tanjeg kola (kriva lijevo odgovara debljini od 6.6 mil) glavna komponenta ukupnog gubitka umetanja. Kako se debljina kruga povećava (debljina koja odgovara krivulji na desnoj strani je 10 mil), dielektrični gubici i gubici provodnika teže da se približavaju, a to dvoje zajedno čini ukupan gubitak umetanja.

Simulacijski model na slici 1 i parametri materijala kola korišteni u stvarnom kolu su: dielektrična konstanta 3.66, faktor gubitka 0.0037 i hrapavost površine bakrenog vodiča 2.8 um RMS. Kada se hrapavost površine bakrene folije ispod istog materijala kola smanji, gubitak provodnika u krugovima od 6.6 mil i 10 mil na slici 1 će se značajno smanjiti; međutim, efekat nije očigledan za krug od 20 mil. Slika 2 prikazuje rezultate ispitivanja dva materijala kola različite hrapavosti, odnosno Rogers RO4350B™ standardnog materijala kola sa visokom hrapavošću i Rogers RO4350B LoPro™ materijala kola sa malom hrapavošću.

Slika 2 pokazuje prednosti upotrebe glatke površine bakrene folije za obradu mikrotrakastih kola. Za tanje podloge, upotreba glatke bakrene folije može značajno smanjiti gubitak umetanja. Za podlogu od 6.6 mil, gubitak umetanja je smanjen za 0.3 dB na 20 GHz zbog upotrebe glatke bakarne folije; supstrat od 10 mil je smanjen za 0.22 dB na 20 GHz; i supstrata od 20 mil, gubitak umetanja je smanjen samo za 0.11 dB.

Kao što je prikazano na slici 1 i slici 2, što je tanji supstrat kola, to je veći gubitak umetanja kola. To znači da kada se kolo napaja određenom količinom RF mikrovalne snage, što je tanji krug će proizvoditi više topline. Kada se sveobuhvatno odmjeri pitanje grijanja kruga, s jedne strane, tanji krug stvara više topline od debelog kruga pri visokim razinama snage, ali s druge strane, tanji krug može postići efikasniji protok topline kroz hladnjak. Održavajte relativno nisku temperaturu.

Da bi se riješio problem grijanja kola, idealno tanko kolo treba imati sljedeće karakteristike: nizak faktor gubitka materijala kola, glatku bakarnu tanku površinu, nizak εr i visoku toplinsku provodljivost. U poređenju sa materijalom kola visokog εr, širina provodnika iste impedanse dobijena pod uslovom niskog εr može biti veća, što je korisno za smanjenje gubitka provodnika u krugu. Iz perspektive odvođenja toplote kola, iako većina visokofrekventnih PCB supstrata kola ima veoma lošu toplotnu provodljivost u odnosu na provodnike, toplotna provodljivost materijala kola je i dalje veoma važan parametar.

Mnogo rasprava o toplinskoj provodljivosti supstrata kola je razrađeno u ranijim člancima, a ovaj članak će citirati neke rezultate i informacije iz ranijih članaka. Na primjer, sljedeća jednadžba i slika 3 su od pomoći za razumijevanje faktora koji se odnose na termičke performanse materijala PCB kola. U jednadžbi, k je toplotna provodljivost (W/m/K), A je površina, TH je temperatura izvora toplote, TC je temperatura izvora hladnoće, a L je rastojanje između izvora toplote i izvor hladnoće.