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

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.

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.

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.

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.