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

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.

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.

Αφού αγνοηθεί η απώλεια ακτινοβολίας κάτω των 20 GHz, η απώλεια εισαγωγής ενός κυκλώματος γραμμής μεταφοράς μικροταινιών περιλαμβάνει κυρίως δύο μέρη: απώλεια διηλεκτρικού και απώλεια αγωγού. Η αναλογία των δύο εξαρτάται κυρίως από το πάχος του υποστρώματος του κυκλώματος. Για λεπτότερα υποστρώματα, η απώλεια αγωγού είναι το κύριο συστατικό. Για πολλούς λόγους, είναι γενικά δύσκολο να προβλεφθεί με ακρίβεια η απώλεια αγωγού. Για παράδειγμα, η τραχύτητα της επιφάνειας ενός αγωγού έχει τεράστια επίδραση στα χαρακτηριστικά μετάδοσης των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων. Η τραχύτητα της επιφάνειας του φύλλου χαλκού όχι μόνο θα αλλάξει τη σταθερά διάδοσης του ηλεκτρομαγνητικού κύματος του κυκλώματος μικροταινιών, αλλά θα αυξήσει επίσης την απώλεια αγωγού του κυκλώματος. Λόγω του φαινομένου του δέρματος, η επίδραση της τραχύτητας του φύλλου χαλκού στην απώλεια αγωγού εξαρτάται επίσης από τη συχνότητα. Το Σχήμα 1 συγκρίνει την απώλεια εισαγωγής των κυκλωμάτων γραμμής μεταφοράς μικροταινιών 50 ohm με βάση διαφορετικά πάχη PCB, τα οποία είναι 6.6 mils και 10 mils, αντίστοιχα.

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.

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.