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

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.

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.

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.

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.