Cuando la señal de radiofrecuencia de alta frecuencia / microondas se alimenta al PCB circuito, la pérdida causada por el circuito en sí y el material del circuito generarán inevitablemente una cierta cantidad de calor. Cuanto mayor es la pérdida, mayor es la potencia que pasa a través del material de PCB y mayor es el calor generado. Cuando la temperatura de funcionamiento del circuito excede el valor nominal, el circuito puede causar algunos problemas. Por ejemplo, el parámetro operativo típico MOT, que es bien conocido en las placas de circuito impreso, es la temperatura máxima de funcionamiento. Cuando la temperatura de funcionamiento excede el MOT, el rendimiento y la confiabilidad del circuito de PCB se verán amenazados. Mediante la combinación de modelos electromagnéticos y mediciones experimentales, comprender las características térmicas de los PCB de microondas de RF puede ayudar a evitar la degradación del rendimiento del circuito y la degradación de la fiabilidad causada por las altas temperaturas.

Comprender cómo se produce la pérdida de inserción en los materiales del circuito ayuda a describir mejor los factores importantes relacionados con el rendimiento térmico de los circuitos de PCB de alta frecuencia. Este artículo tomará el circuito de línea de transmisión de microbanda como ejemplo para discutir las compensaciones relacionadas con el rendimiento térmico del circuito. En un circuito de microbanda con una estructura de PCB de doble cara, las pérdidas incluyen pérdida dieléctrica, pérdida de conductor, pérdida de radiación y pérdida de fuga. La diferencia entre los diferentes componentes de la pérdida es grande. Con algunas excepciones, la pérdida por fugas de los circuitos de PCB de alta frecuencia es generalmente muy baja. En este artículo, dado que el valor de la pérdida por fugas es muy bajo, se ignorará por el momento.

Pérdida de radiación

La pérdida por radiación depende de muchos parámetros del circuito, como la frecuencia de funcionamiento, el grosor del sustrato del circuito, la constante dieléctrica de la PCB (constante dieléctrica relativa o εr) y el plan de diseño. En lo que respecta a los esquemas de diseño, la pérdida de radiación a menudo se debe a una transformación deficiente de impedancia en el circuito o diferencias en la transmisión de ondas electromagnéticas en el circuito. El área de transformación de impedancia del circuito generalmente incluye el área de alimentación de señal, el punto de impedancia de paso, el ramal y la red de adaptación. Un diseño de circuito razonable puede realizar una transformación de impedancia suave, reduciendo así la pérdida de radiación del circuito. Por supuesto, debe tenerse en cuenta que existe la posibilidad de un desajuste de impedancia que provoque una pérdida de radiación en cualquier interfaz del circuito. Desde el punto de vista de la frecuencia de funcionamiento, generalmente cuanto mayor es la frecuencia, mayor es la pérdida de radiación del circuito.

Los parámetros de los materiales del circuito relacionados con la pérdida de radiación son principalmente la constante dieléctrica y el espesor del material de PCB. Cuanto más grueso sea el sustrato del circuito, mayor será la posibilidad de causar pérdidas por radiación; cuanto menor sea el εr del material de PCB, mayor será la pérdida de radiación del circuito. Pesando de forma exhaustiva las características del material, el uso de sustratos de circuito delgados se puede utilizar como una forma de compensar la pérdida de radiación causada por materiales de circuito de baja εr. La influencia del grosor del sustrato del circuito y εr en la pérdida de radiación del circuito se debe a que es una función dependiente de la frecuencia. Cuando el grosor del sustrato del circuito no supera los 20 mil y la frecuencia de funcionamiento es inferior a 20 GHz, la pérdida de radiación del circuito es muy baja. Dado que la mayoría de las frecuencias de medición y modelado de circuitos en este artículo son inferiores a 20 GHz, la discusión en este artículo ignorará la influencia de la pérdida de radiación en el calentamiento del circuito.

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

Resultados medidos y simulados

La curva de la Figura 1 contiene los resultados medidos y los resultados de la simulación. Los resultados de la simulación se obtienen utilizando el software de cálculo de impedancia de microondas MWI-2010 de Rogers Corporation. El software MWI-2010 cita las ecuaciones analíticas en los artículos clásicos en el campo del modelado de líneas de microcinta. Los datos de prueba de la Figura 1 se obtienen mediante el método de medición de longitud diferencial de un analizador de redes vectoriales. Puede verse en la Fig. 1 que los resultados de la simulación de la curva de pérdida total son básicamente consistentes con los resultados medidos. Se puede ver en la figura que la pérdida de conductor del circuito más delgado (la curva de la izquierda corresponde a un grosor de 6.6 mil) es el componente principal de la pérdida total de inserción. A medida que aumenta el grosor del circuito (el grosor correspondiente a la curva de la derecha es de 10 mil), la pérdida dieléctrica y la pérdida del conductor tienden a acercarse, y las dos juntas constituyen la pérdida total de inserción.

El modelo de simulación de la Figura 1 y los parámetros del material del circuito utilizados en el circuito real son: constante dieléctrica 3.66, factor de pérdida 0.0037 y rugosidad de la superficie del conductor de cobre 2.8 um RMS. Cuando se reduce la rugosidad de la superficie de la lámina de cobre bajo el mismo material del circuito, la pérdida del conductor de los circuitos de 6.6 mil y 10 mil en la Figura 1 se reducirá significativamente; sin embargo, el efecto no es obvio para el circuito de 20 mil. La Figura 2 muestra los resultados de la prueba de dos materiales de circuito con diferente rugosidad, a saber, material de circuito estándar Rogers RO4350B ™ con alta rugosidad y material de circuito Rogers RO4350B LoPro ™ con baja rugosidad.

Como se muestra en la Figura 1 y la Figura 2, cuanto más delgado sea el sustrato del circuito, mayor será la pérdida de inserción del circuito. Esto significa que cuando el circuito se alimenta con una cierta cantidad de potencia de microondas de RF, cuanto más delgado sea el circuito, generará más calor. Al sopesar exhaustivamente el problema del calentamiento del circuito, por un lado, un circuito más delgado genera más calor que un circuito grueso a altos niveles de potencia, pero por otro lado, un circuito más delgado puede obtener un flujo de calor más efectivo a través del disipador de calor. Mantenga la temperatura relativamente baja.

Para resolver el problema de calentamiento del circuito, el circuito delgado ideal debe tener las siguientes características: factor de pérdida bajo del material del circuito, superficie delgada de cobre lisa, εr baja y conductividad térmica alta. Comparado con el material del circuito de alto εr, el ancho del conductor de la misma impedancia obtenida bajo la condición de bajo εr puede ser mayor, lo que es beneficioso para reducir la pérdida de conductor del circuito. Desde la perspectiva de la disipación de calor del circuito, aunque la mayoría de los sustratos de circuitos de PCB de alta frecuencia tienen una conductividad térmica muy baja en relación con los conductores, la conductividad térmica de los materiales del circuito sigue siendo un parámetro muy importante.

En artículos anteriores se han elaborado muchas discusiones sobre la conductividad térmica de los sustratos de circuitos, y este artículo citará algunos resultados e información de artículos anteriores. Por ejemplo, la siguiente ecuación y la Figura 3 son útiles para comprender los factores relacionados con el rendimiento térmico de los materiales del circuito de PCB. En la ecuación, k es la conductividad térmica (W / m / K), A es el área, TH es la temperatura de la fuente de calor, TC es la temperatura de la fuente fría y L es la distancia entre la fuente de calor y la fuente fría.