Quan el senyal de radiofreqüència d’alta freqüència/microones s’introdueix al PCB circuit, la pèrdua causada pel propi circuit i el material del circuit generarà inevitablement una certa quantitat de calor. Com més gran sigui la pèrdua, més gran serà la potència que passa pel material de PCB i més gran serà la calor generada. Quan la temperatura de funcionament del circuit supera el valor nominal, el circuit pot causar alguns problemes. Per exemple, el paràmetre de funcionament típic MOT, que és ben conegut en els PCB, és la temperatura màxima de funcionament. Quan la temperatura de funcionament superi el MOT, el rendiment i la fiabilitat del circuit PCB es veuran amenaçats. Mitjançant la combinació de modelatge electromagnètic i mesures experimentals, entendre les característiques tèrmiques dels PCB de microones de RF pot ajudar a evitar la degradació del rendiment del circuit i la degradació de la fiabilitat causada per les altes temperatures.

Comprendre com es produeix la pèrdua d’inserció en els materials del circuit ajuda a descriure millor els factors importants relacionats amb el rendiment tèrmic dels circuits de PCB d’alta freqüència. Aquest article prendrà el circuit de la línia de transmissió de microstrip com a exemple per discutir les compensacions relacionades amb el rendiment tèrmic del circuit. En un circuit de microstrip amb una estructura de PCB de doble cara, les pèrdues inclouen la pèrdua dielèctrica, la pèrdua de conductor, la pèrdua de radiació i la pèrdua de fuites. La diferència entre els diferents components de pèrdua és gran. Amb algunes excepcions, la pèrdua de fuites dels circuits PCB d’alta freqüència és generalment molt baixa. En aquest article, com que el valor de pèrdua de fuites és molt baix, de moment s’ignorarà.

Pèrdua de radiació

La pèrdua de radiació depèn de molts paràmetres del circuit, com ara la freqüència de funcionament, el gruix del substrat del circuit, la constant dielèctrica de PCB (constante dielèctrica relativa o εr) i el pla de disseny. Pel que fa als esquemes de disseny, la pèrdua de radiació sovint prové d’una mala transformació d’impedància en el circuit o de diferències en la transmissió d’ones electromagnètiques al circuit. L’àrea de transformació de la impedància del circuit sol incloure l’àrea d’alimentació del senyal, el punt d’impedància de pas, el taló i la xarxa de concordança. Un disseny de circuit raonable pot realitzar una transformació suau d’impedància, reduint així la pèrdua de radiació del circuit. Per descomptat, s’ha de tenir en compte que hi ha la possibilitat que la impedància no coincideixi amb la pèrdua de radiació a qualsevol interfície del circuit. Des del punt de vista de la freqüència de funcionament, normalment com més gran és la freqüència, més gran és la pèrdua de radiació del circuit.

Els paràmetres dels materials del circuit relacionats amb la pèrdua de radiació són principalment la constant dielèctrica i el gruix del material PCB. Com més gruixut sigui el substrat del circuit, més gran serà la possibilitat de provocar pèrdua de radiació; com més baix sigui l’εr del material de la PCB, més gran serà la pèrdua de radiació del circuit. Pesant exhaustivament les característiques del material, l’ús de substrats de circuit prim es pot utilitzar com a forma de compensar la pèrdua de radiació causada pels materials de circuits de baix εr. La influència del gruix del substrat del circuit i εr en la pèrdua de radiació del circuit és perquè és una funció dependent de la freqüència. Quan el gruix del substrat del circuit no supera els 20 mil i la freqüència de funcionament és inferior a 20 GHz, la pèrdua de radiació del circuit és molt baixa. Com que la majoria de les freqüències de modelització i mesura de circuits d’aquest article són inferiors a 20 GHz, la discussió d’aquest article ignorarà la influència de la pèrdua de radiació en l’escalfament del circuit.

After ignoring the radiation loss below 20GHz, the insertion loss of a microstrip transmission line circuit mainly includes two parts: dielectric loss and conductor loss. The proportion of the two mainly depends on the thickness of the circuit substrate. For thinner substrates, conductor loss is the main component. For many reasons, it is generally difficult to accurately predict conductor loss. For example, the surface roughness of a conductor has a huge influence on the transmission characteristics of electromagnetic waves. The surface roughness of copper foil will not only change the electromagnetic wave propagation constant of the microstrip circuit, but also increase the conductor loss of the circuit. Due to the skin effect, the influence of copper foil roughness on conductor loss is also frequency-dependent. Figure 1 compares the insertion loss of 50 ohm microstrip transmission line circuits based on different PCB thicknesses, which are 6.6 mils and 10 mils, respectively

Resultats mesurats i simulats

La corba de la figura 1 conté els resultats mesurats i els resultats de la simulació. Els resultats de la simulació s’obtenen utilitzant el programari de càlcul d’impedància de microones MWI-2010 de Rogers Corporation. El programari MWI-2010 cita les equacions analítiques dels articles clàssics en el camp del modelatge de línies de microstrip. Les dades de prova de la figura 1 s’obtenen mitjançant el mètode de mesura de longitud diferencial d’un analitzador de xarxes vectorials. A la figura 1 es pot veure que els resultats de la simulació de la corba de pèrdua total són bàsicament coherents amb els resultats mesurats. A la figura es pot veure que la pèrdua del conductor del circuit més prim (la corba de l’esquerra correspon a un gruix de 6.6 mil) és el component principal de la pèrdua total d’inserció. A mesura que augmenta el gruix del circuit (el gruix corresponent a la corba de la dreta és de 10 mil), la pèrdua dielèctrica i la pèrdua del conductor tendeixen a apropar-se, i les dues juntes constitueixen la pèrdua total d’inserció.

El model de simulació de la figura 1 i els paràmetres del material del circuit utilitzats en el circuit real són: constant dielèctrica 3.66, factor de pèrdua 0.0037 i rugositat superficial del conductor de coure 2.8 um RMS. Quan es redueix la rugositat superficial de la làmina de coure sota el mateix material del circuit, la pèrdua de conductor dels circuits de 6.6 mil i 10 mil de la figura 1 es reduirà significativament; tanmateix, l’efecte no és evident per al circuit de 20 mil. La figura 2 mostra els resultats de les proves de dos materials de circuit amb rugositat diferent, és a dir, material de circuit estàndard Rogers RO4350B ™ amb alta rugositat i material de circuit Rogers RO4350B LoPro ™ amb baixa rugositat.

Com es mostra a la figura 1 i la figura 2, com més prim sigui el substrat del circuit, més gran serà la pèrdua d’inserció del circuit. Això vol dir que quan el circuit s’alimenta amb una certa quantitat de potència de microones de RF, més prim és el circuit generarà més calor. Quan es sospesa de manera exhaustiva el problema de la calefacció del circuit, d’una banda, un circuit més prim genera més calor que un circuit gruixut a nivells de potència elevats, però, d’altra banda, un circuit més prim pot obtenir un flux de calor més efectiu a través del dissipador de calor. Mantenir la temperatura relativament baixa.

Per resoldre el problema de calefacció del circuit, el circuit prim ideal hauria de tenir les característiques següents: baix factor de pèrdua del material del circuit, superfície llisa de coure, baix εr i alta conductivitat tèrmica. En comparació amb el material del circuit d’εr elevat, l’amplada del conductor de la mateixa impedància obtinguda en condicions d’εr baix pot ser més gran, cosa que és beneficiós per reduir la pèrdua de conductor del circuit. Des de la perspectiva de la dissipació de calor del circuit, tot i que la majoria dels substrats de circuits de PCB d’alta freqüència tenen una conductivitat tèrmica molt pobra en relació amb els conductors, la conductivitat tèrmica dels materials del circuit segueix sent un paràmetre molt important.

En articles anteriors s’han elaborat moltes discussions sobre la conductivitat tèrmica dels substrats de circuits, i aquest article citarà alguns resultats i informació d’articles anteriors. Per exemple, l’equació següent i la figura 3 són útils per entendre els factors relacionats amb el rendiment tèrmic dels materials del circuit PCB. A l’equació, k és la conductivitat tèrmica (W/m/K), A és l’àrea, TH és la temperatura de la font de calor, TC és la temperatura de la font freda i L és la distància entre la font de calor i la font freda.