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

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.

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.

Després d’ignorar la pèrdua de radiació per sota dels 20 GHz, la pèrdua d’inserció d’un circuit de línia de transmissió de microstrip inclou principalment dues parts: pèrdua dielèctrica i pèrdua de conductor. La proporció dels dos depèn principalment del gruix del substrat del circuit. Per a substrats més prims, la pèrdua del conductor és el component principal. Per moltes raons, generalment és difícil predir amb precisió la pèrdua del conductor. Per exemple, la rugositat superficial d’un conductor té una gran influència en les característiques de transmissió de les ones electromagnètiques. La rugositat superficial de la làmina de coure no només canviarà la constant de propagació de les ones electromagnètiques del circuit de microstrip, sinó que també augmentarà la pèrdua de conductor del circuit. A causa de l’efecte de la pell, la influència de la rugositat de la làmina de coure en la pèrdua del conductor també depèn de la freqüència. La figura 1 compara la pèrdua d’inserció de circuits de línia de transmissió de microstrip de 50 ohms en funció de diferents gruixos de PCB, que són de 6.6 mils i 10 mils, respectivament.

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.

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.