Wenn das Hochfrequenz-/Mikrowellen-Radiofrequenzsignal in den PCB Schaltung verursacht, wird der Verlust, der durch die Schaltung selbst und das Schaltungsmaterial verursacht wird, unweigerlich eine gewisse Wärmemenge erzeugen. Je größer der Verlust, desto höher die Leistung, die durch das PCB-Material fließt, und desto größer ist die erzeugte Wärme. Wenn die Betriebstemperatur des Schaltkreises den Nennwert überschreitet, kann der Schaltkreis einige Probleme verursachen. Beispielsweise ist der typische Betriebsparameter MOT, der bei Leiterplatten bekannt ist, die maximale Betriebstemperatur. Wenn die Betriebstemperatur den TÜV überschreitet, wird die Leistung und Zuverlässigkeit der Leiterplattenschaltung gefährdet. Durch die Kombination von elektromagnetischer Modellierung und experimentellen Messungen kann das Verständnis der thermischen Eigenschaften von HF-Mikrowellen-PCBs dazu beitragen, eine durch hohe Temperaturen verursachte Verschlechterung der Schaltungsleistung und Zuverlässigkeit zu vermeiden.

Das Verständnis der Einfügungsdämpfung in Schaltungsmaterialien hilft, die wichtigen Faktoren im Zusammenhang mit der thermischen Leistung von Hochfrequenz-PCB-Schaltungen besser zu beschreiben. In diesem Artikel wird die Mikrostreifen-Übertragungsleitungsschaltung als Beispiel verwendet, um die Kompromisse in Bezug auf die thermische Leistung der Schaltung zu diskutieren. In einer Mikrostreifenschaltung mit einer doppelseitigen PCB-Struktur umfassen die Verluste dielektrische Verluste, Leiterverluste, Strahlungsverluste und Streuverluste. Der Unterschied zwischen den verschiedenen Verlustkomponenten ist groß. Bis auf wenige Ausnahmen sind die Streuverluste von Hochfrequenz-Leiterplattenschaltungen im Allgemeinen sehr gering. Da der Leckverlustwert in diesem Artikel sehr niedrig ist, wird er vorerst ignoriert.

Strahlungsverlust

Der Strahlungsverlust hängt von vielen Schaltungsparametern ab, wie beispielsweise der Betriebsfrequenz, der Dicke des Schaltungssubstrats, der Dielektrizitätskonstante der Leiterplatte (relative Dielektrizitätskonstante oder εr) und dem Designplan. Was die Entwurfsschemata betrifft, so rührt der Strahlungsverlust oft von einer schlechten Impedanztransformation in der Schaltung oder von Unterschieden in der Übertragung elektromagnetischer Wellen in der Schaltung her. Der Bereich der Schaltungsimpedanztransformation umfasst normalerweise den Signaleinspeisebereich, den Stufenimpedanzpunkt, die Stichleitung und das Anpassungsnetzwerk. Durch ein vernünftiges Schaltungsdesign kann eine glatte Impedanztransformation realisiert werden, wodurch der Strahlungsverlust der Schaltung reduziert wird. Natürlich sollte erkannt werden, dass die Möglichkeit einer Impedanzfehlanpassung besteht, die zu einem Strahlungsverlust an jeder Schnittstelle der Schaltung führt. Im Hinblick auf die Betriebsfrequenz ist normalerweise der Strahlungsverlust der Schaltung umso größer, je höher die Frequenz ist.

Die Parameter von Schaltungsmaterialien in Bezug auf den Strahlungsverlust sind hauptsächlich Dielektrizitätskonstante und die Dicke des PCB-Materials. Je dicker das Schaltungssubstrat ist, desto größer ist die Möglichkeit, einen Strahlungsverlust zu verursachen; je niedriger das εr des PCB-Materials ist, desto größer ist der Strahlungsverlust der Schaltung. Durch umfassendes Abwägen der Materialeigenschaften kann die Verwendung von dünnen Schaltungssubstraten als Möglichkeit verwendet werden, den Strahlungsverlust auszugleichen, der durch Schaltungsmaterialien mit niedrigem εr verursacht wird. Der Einfluss der Dicke des Schaltungssubstrats und εr auf den Strahlungsverlust der Schaltung besteht darin, dass es sich um eine frequenzabhängige Funktion handelt. Wenn die Dicke des Schaltungssubstrats 20 mil nicht überschreitet und die Betriebsfrequenz niedriger als 20 GHz ist, ist der Strahlungsverlust der Schaltung sehr gering. Da die meisten Schaltungsmodellierungs- und Messfrequenzen in diesem Artikel niedriger als 20 GHz sind, wird in der Diskussion in diesem Artikel der Einfluss von Strahlungsverlusten auf die Schaltungsheizung ignoriert.

Nach dem Ignorieren des Strahlungsverlusts unter 20 GHz umfasst der Einfügungsverlust einer Mikrostreifen-Übertragungsleitungsschaltung hauptsächlich zwei Teile: dielektrische Verluste und Leiterverluste. Der Anteil der beiden hängt hauptsächlich von der Dicke des Schaltungssubstrats ab. Bei dünneren Substraten ist die Leiterdämpfung die Hauptkomponente. Aus vielen Gründen ist es im Allgemeinen schwierig, den Leiterverlust genau vorherzusagen. So hat beispielsweise die Oberflächenrauheit eines Leiters einen großen Einfluss auf die Übertragungseigenschaften elektromagnetischer Wellen. Die Oberflächenrauhigkeit der Kupferfolie ändert nicht nur die Ausbreitungskonstante der elektromagnetischen Wellen der Mikrostreifenschaltung, sondern erhöht auch den Leiterverlust der Schaltung. Aufgrund des Skin-Effekts ist auch der Einfluss der Kupferfolienrauhigkeit auf die Leiterverluste frequenzabhängig. Abbildung 1 vergleicht die Einfügungsdämpfung von 50-Ohm-Mikrostreifen-Übertragungsleitungsschaltungen basierend auf verschiedenen PCB-Dicken, die 6.6 mil bzw. 10 mil betragen.

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Abbildung 1. Vergleich von 50-Ohm-Mikrostrip-Übertragungsleitungsschaltungen basierend auf PCB-Materialien unterschiedlicher Dicke

Gemessene und simulierte Ergebnisse

Die Kurve in Abbildung 1 enthält die Messergebnisse und Simulationsergebnisse. Die Simulationsergebnisse werden unter Verwendung der Mikrowellenimpedanz-Berechnungssoftware MWI-2010 der Rogers Corporation erhalten. Die Software MWI-2010 zitiert die analytischen Gleichungen in den klassischen Veröffentlichungen im Bereich der Mikrostreifenleitungsmodellierung. Die Testdaten in Abbildung 1 werden durch das Differenzlängenmessverfahren eines Vektornetzwerkanalysators erhalten. Aus Abb. 1 ist ersichtlich, dass die Simulationsergebnisse der Gesamtverlustkurve grundsätzlich mit den Messergebnissen übereinstimmen. Aus der Abbildung ist ersichtlich, dass die Leiterdämpfung der dünneren Schaltung (die Kurve links entspricht einer Dicke von 6.6 mil) die Hauptkomponente der Gesamteinfügungsdämpfung ist. Wenn die Dicke der Schaltung zunimmt (die Dicke entsprechend der Kurve auf der rechten Seite beträgt 10 mil), neigen der dielektrische Verlust und der Leiterverlust dazu, sich anzunähern, und beide bilden zusammen den gesamten Einfügungsverlust.

Das Simulationsmodell in Abbildung 1 und die in der tatsächlichen Schaltung verwendeten Parameter des Schaltungsmaterials sind: Dielektrizitätskonstante 3.66, Verlustfaktor 0.0037 und Oberflächenrauheit des Kupferleiters 2.8 um RMS. Wenn die Oberflächenrauhigkeit der Kupferfolie unter dem gleichen Schaltungsmaterial verringert wird, wird der Leiterverlust der 6.6 mil- und 10 mil-Schaltungen in Fig. 1 erheblich verringert; der Effekt ist jedoch für die 20-mil-Schaltung nicht offensichtlich. Abbildung 2 zeigt die Testergebnisse von zwei Schaltungsmaterialien mit unterschiedlicher Rauheit, nämlich Rogers RO4350B™ Standard-Schaltungsmaterial mit hoher Rauheit und Rogers RO4350B LoPro™-Schaltungsmaterial mit geringer Rauheit.

Abbildung 2 zeigt die Vorteile der Verwendung eines glatten Oberflächensubstrats aus Kupferfolie zur Verarbeitung von Mikrostreifenschaltungen. Bei dünneren Substraten kann die Verwendung einer glatten Kupferfolie die Einfügedämpfung deutlich reduzieren. Für das 6.6 mil-Substrat wird die Einfügungsdämpfung um 0.3 dB bei 20 GHz aufgrund der Verwendung einer glatten Kupferfolie reduziert; das 10 mil-Substrat wird bei 0.22 GHz um 20 dB reduziert; und dem 20-mil-Substrat wird die Einfügungsdämpfung nur um 0.11 dB reduziert.

Wie in Abbildung 1 und Abbildung 2 gezeigt, ist die Einfügungsdämpfung der Schaltung umso höher, je dünner das Schaltungssubstrat ist. Dies bedeutet, dass, wenn die Schaltung mit einer bestimmten Menge an HF-Mikrowellenleistung gespeist wird, die dünnere Schaltung mehr Wärme erzeugt. Bei einer umfassenden Abwägung des Themas Kreislaufheizung erzeugt einerseits eine dünnere Schaltung bei hohen Leistungen mehr Wärme als eine dicke Schaltung, andererseits kann eine dünnere Schaltung jedoch einen effektiveren Wärmefluss durch den Kühlkörper erzielen. Halten Sie die Temperatur relativ niedrig.

Um das Erwärmungsproblem der Schaltung zu lösen, sollte die ideale dünne Schaltung folgende Eigenschaften aufweisen: geringer Verlustfaktor des Schaltungsmaterials, glatte dünne Kupferoberfläche, niedriges εr und hohe Wärmeleitfähigkeit. Verglichen mit dem Schaltungsmaterial mit hohem r kann die Leiterbreite der gleichen Impedanz, die unter der Bedingung eines niedrigen εr erhalten wird, größer sein, was vorteilhaft ist, um den Leiterverlust der Schaltung zu verringern. Aus der Sicht der Wärmeableitung der Schaltung ist die Wärmeleitfähigkeit von Schaltungsmaterialien immer noch ein sehr wichtiger Parameter, obwohl die meisten Hochfrequenz-PCB-Schaltungssubstrate eine sehr schlechte Wärmeleitfähigkeit im Vergleich zu Leitern aufweisen.

In früheren Artikeln wurden viele Diskussionen über die Wärmeleitfähigkeit von Schaltungssubstraten ausgearbeitet, und dieser Artikel wird einige Ergebnisse und Informationen aus früheren Artikeln zitieren. Die folgende Gleichung und Abbildung 3 sind beispielsweise hilfreich, um die Faktoren im Zusammenhang mit der thermischen Leistung von PCB-Schaltungsmaterialien zu verstehen. In der Gleichung ist k die Wärmeleitfähigkeit (W/m/K), A die Fläche, TH die Temperatur der Wärmequelle, TC die Temperatur der Kältequelle und L der Abstand zwischen der Wärmequelle und die kalte Quelle.