Όταν το σήμα ραδιοσυχνότητας υψηλής συχνότητας/μικροκυμάτων τροφοδοτείται στο PCB κύκλωμα, η απώλεια που προκαλείται από το ίδιο το κύκλωμα και το υλικό του κυκλώματος θα δημιουργήσει αναπόφευκτα μια ορισμένη ποσότητα θερμότητας. Όσο μεγαλύτερη είναι η απώλεια, τόσο μεγαλύτερη είναι η ισχύς που διέρχεται από το υλικό PCB και τόσο μεγαλύτερη είναι η θερμότητα που παράγεται. Όταν η θερμοκρασία λειτουργίας του κυκλώματος υπερβαίνει την ονομαστική τιμή, το κύκλωμα μπορεί να προκαλέσει κάποια προβλήματα. Για παράδειγμα, η τυπική παράμετρος λειτουργίας MOT, η οποία είναι ευρέως γνωστή στα PCB, είναι η μέγιστη θερμοκρασία λειτουργίας. Όταν η θερμοκρασία λειτουργίας υπερβαίνει το MOT, η απόδοση και η αξιοπιστία του κυκλώματος PCB θα απειληθούν. Μέσω του συνδυασμού ηλεκτρομαγνητικής μοντελοποίησης και πειραματικών μετρήσεων, η κατανόηση των θερμικών χαρακτηριστικών των PCB μικροκυμάτων RF μπορεί να βοηθήσει στην αποφυγή της υποβάθμισης της απόδοσης του κυκλώματος και της υποβάθμισης της αξιοπιστίας που προκαλείται από υψηλές θερμοκρασίες.

Η κατανόηση του τρόπου με τον οποίο συμβαίνει η απώλεια εισαγωγής σε υλικά κυκλώματος βοηθά στην καλύτερη περιγραφή των σημαντικών παραγόντων που σχετίζονται με τη θερμική απόδοση των κυκλωμάτων PCB υψηλής συχνότητας. Αυτό το άρθρο θα λάβει το κύκλωμα της γραμμής μεταφοράς microstrip ως παράδειγμα για να συζητήσει τους συμβιβασμούς που σχετίζονται με τη θερμική απόδοση του κυκλώματος. Σε ένα κύκλωμα μικροταινίας με δομή PCB διπλής όψης, οι απώλειες περιλαμβάνουν απώλεια διηλεκτρικής, απώλεια αγωγού, απώλεια ακτινοβολίας και απώλεια διαρροής. Η διαφορά μεταξύ των διαφορετικών στοιχείων απώλειας είναι μεγάλη. Με λίγες εξαιρέσεις, η απώλεια διαρροής των κυκλωμάτων PCB υψηλής συχνότητας είναι γενικά πολύ χαμηλή. Σε αυτό το άρθρο, καθώς η τιμή απώλειας διαρροής είναι πολύ χαμηλή, θα αγνοηθεί προς το παρόν.

Απώλεια ακτινοβολίας

Η απώλεια ακτινοβολίας εξαρτάται από πολλές παραμέτρους του κυκλώματος όπως η συχνότητα λειτουργίας, το πάχος του υποστρώματος του κυκλώματος, η διηλεκτρική σταθερά PCB (σχετική διηλεκτρική σταθερά ή εr) και το σχέδιο σχεδιασμού. Όσον αφορά τα σχήματα σχεδιασμού, η απώλεια ακτινοβολίας συχνά προέρχεται από κακή μετατροπή σύνθετης αντίστασης στο κύκλωμα ή διαφορές στη μετάδοση ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων στο κύκλωμα. Η περιοχή μετασχηματισμού σύνθετης αντίστασης κυκλώματος συνήθως περιλαμβάνει περιοχή τροφοδοσίας σήματος, σημείο σύνθετης αντίστασης βήματος, στέλεχος και δίκτυο αντιστοίχισης. Ο λογικός σχεδιασμός κυκλώματος μπορεί να πραγματοποιήσει ομαλό μετασχηματισμό σύνθετης αντίστασης, μειώνοντας έτσι την απώλεια ακτινοβολίας του κυκλώματος. Φυσικά, θα πρέπει να γίνει αντιληπτό ότι υπάρχει η πιθανότητα αναντιστοιχίας σύνθετης αντίστασης που οδηγεί σε απώλεια ακτινοβολίας σε οποιαδήποτε διεπαφή του κυκλώματος. Από την άποψη της συχνότητας λειτουργίας, συνήθως όσο μεγαλύτερη είναι η συχνότητα, τόσο μεγαλύτερη είναι η απώλεια ακτινοβολίας του κυκλώματος.

Οι παράμετροι των υλικών κυκλώματος που σχετίζονται με την απώλεια ακτινοβολίας είναι κυρίως η διηλεκτρική σταθερά και το πάχος υλικού PCB. Όσο πιο παχύ είναι το υπόστρωμα του κυκλώματος, τόσο μεγαλύτερη είναι η πιθανότητα πρόκλησης απώλειας ακτινοβολίας. Όσο χαμηλότερο είναι το εr του υλικού PCB, τόσο μεγαλύτερη είναι η απώλεια ακτινοβολίας του κυκλώματος. Συνολικά ζυγίζοντας τα χαρακτηριστικά του υλικού, η χρήση υποστρωμάτων λεπτού κυκλώματος μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως τρόπος αντιστάθμισης της απώλειας ακτινοβολίας που προκαλείται από υλικά χαμηλού εr κυκλώματος. Η επίδραση του πάχους του υποστρώματος του κυκλώματος και του εr στην απώλεια ακτινοβολίας του κυκλώματος οφείλεται στο ότι είναι συνάρτηση που εξαρτάται από τη συχνότητα. Όταν το πάχος του υποστρώματος του κυκλώματος δεν υπερβαίνει τα 20 mil και η συχνότητα λειτουργίας είναι μικρότερη από 20 GHz, η απώλεια ακτινοβολίας του κυκλώματος είναι πολύ χαμηλή. Δεδομένου ότι οι περισσότερες από τις συχνότητες μοντελοποίησης και μέτρησης κυκλωμάτων σε αυτό το άρθρο είναι χαμηλότερες από 20 GHz, η συζήτηση σε αυτό το άρθρο θα αγνοήσει την επίδραση της απώλειας ακτινοβολίας στη θέρμανση του κυκλώματος.

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

Μετρημένα και προσομοιωμένα αποτελέσματα

Η καμπύλη στο σχήμα 1 περιέχει τα μετρούμενα αποτελέσματα και τα αποτελέσματα της προσομοίωσης. Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης λαμβάνονται χρησιμοποιώντας το λογισμικό υπολογισμού σύνθετης αντίστασης μικροκυμάτων MWI-2010 της Rogers Corporation. Το λογισμικό MWI-2010 παραθέτει τις αναλυτικές εξισώσεις στις κλασικές εργασίες στον τομέα της μοντελοποίησης γραμμών microstrip. Τα δεδομένα δοκιμής στο Σχήμα 1 λαμβάνονται με τη μέθοδο μέτρησης διαφορικού μήκους ενός αναλυτή διανυσματικού δικτύου. Μπορεί να φανεί από το Σχ. 1 ότι τα αποτελέσματα της προσομοίωσης της καμπύλης συνολικών απωλειών είναι βασικά σύμφωνα με τα μετρούμενα αποτελέσματα. Μπορεί να φανεί από το σχήμα ότι η απώλεια αγωγού του λεπτότερου κυκλώματος (η καμπύλη στα αριστερά αντιστοιχεί σε πάχος 6.6 mil) είναι το κύριο συστατικό της συνολικής απώλειας εισαγωγής. Καθώς το πάχος του κυκλώματος αυξάνεται (το πάχος που αντιστοιχεί στην καμπύλη στα δεξιά είναι 10 mil), η απώλεια διηλεκτρικού και η απώλεια αγωγού τείνουν να πλησιάζουν και τα δύο μαζί αποτελούν τη συνολική απώλεια εισαγωγής.

Το μοντέλο προσομοίωσης στο σχήμα 1 και οι παράμετροι υλικού κυκλώματος που χρησιμοποιούνται στο πραγματικό κύκλωμα είναι: διηλεκτρική σταθερά 3.66, συντελεστής απώλειας 0.0037 και τραχύτητα επιφάνειας χάλκινου αγωγού 2.8 um RMS. Όταν η επιφανειακή τραχύτητα του φύλλου χαλκού κάτω από το ίδιο υλικό κυκλώματος μειωθεί, η απώλεια αγωγού των κυκλωμάτων 6.6 mil και 10 mil στο Σχήμα 1 θα μειωθεί σημαντικά. Ωστόσο, το αποτέλεσμα δεν είναι εμφανές για το κύκλωμα των 20 mil. Το Σχήμα 2 δείχνει τα αποτελέσματα δοκιμής δύο υλικών κυκλώματος με διαφορετική τραχύτητα, συγκεκριμένα του τυπικού υλικού κυκλώματος Rogers RO4350B™ με υψηλή τραχύτητα και του υλικού κυκλώματος Rogers RO4350B LoPro™ με χαμηλή τραχύτητα.

Όπως φαίνεται στο Σχήμα 1 και στο Σχήμα 2, όσο πιο λεπτό είναι το υπόστρωμα του κυκλώματος, τόσο μεγαλύτερη είναι η απώλεια εισαγωγής του κυκλώματος. Αυτό σημαίνει ότι όταν το κύκλωμα τροφοδοτείται με μια ορισμένη ποσότητα ισχύος μικροκυμάτων RF, τόσο πιο λεπτό είναι το κύκλωμα θα παράγει περισσότερη θερμότητα. Κατά τη συνολική στάθμιση του θέματος της θέρμανσης κυκλώματος, αφενός, ένα λεπτότερο κύκλωμα παράγει περισσότερη θερμότητα από ένα παχύ κύκλωμα σε υψηλά επίπεδα ισχύος, αλλά από την άλλη, ένα λεπτότερο κύκλωμα μπορεί να αποκτήσει πιο αποτελεσματική ροή θερμότητας μέσω της ψύκτρας. Διατηρήστε τη θερμοκρασία σχετικά χαμηλή.

Για να λυθεί το πρόβλημα θέρμανσης του κυκλώματος, το ιδανικό λεπτό κύκλωμα θα πρέπει να έχει τα ακόλουθα χαρακτηριστικά: χαμηλό συντελεστή απώλειας του υλικού του κυκλώματος, λεία λεπτή επιφάνεια από χαλκό, χαμηλή εr και υψηλή θερμική αγωγιμότητα. Σε σύγκριση με το υλικό κυκλώματος του υψηλού εr, το πλάτος του αγωγού της ίδιας σύνθετης αντίστασης που λαμβάνεται υπό την προϋπόθεση του χαμηλότερου εr μπορεί να είναι μεγαλύτερο, γεγονός που είναι ευεργετικό για τη μείωση της απώλειας αγωγού του κυκλώματος. Από την άποψη της απαγωγής θερμότητας του κυκλώματος, αν και τα περισσότερα υποστρώματα κυκλωμάτων PCB υψηλής συχνότητας έχουν πολύ κακή θερμική αγωγιμότητα σε σχέση με τους αγωγούς, η θερμική αγωγιμότητα των υλικών του κυκλώματος εξακολουθεί να είναι μια πολύ σημαντική παράμετρος.

Πολλές συζητήσεις σχετικά με τη θερμική αγωγιμότητα των υποστρωμάτων κυκλωμάτων έχουν αναπτυχθεί σε προηγούμενα άρθρα και αυτό το άρθρο θα παραθέσει ορισμένα αποτελέσματα και πληροφορίες από προηγούμενα άρθρα. Για παράδειγμα, η ακόλουθη εξίσωση και το σχήμα 3 είναι χρήσιμα για την κατανόηση των παραγόντων που σχετίζονται με τη θερμική απόδοση των υλικών κυκλωμάτων PCB. Στην εξίσωση, k είναι η θερμική αγωγιμότητα (W/m/K), A είναι η περιοχή, TH είναι η θερμοκρασία της πηγής θερμότητας, TC είναι η θερμοκρασία της ψυχρής πηγής και L είναι η απόσταση μεταξύ της πηγής θερμότητας και η πηγή του κρύου.