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

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.

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.

Después de ignorar la pérdida de radiación por debajo de 20 GHz, la pérdida de inserción de un circuito de línea de transmisión de microbanda incluye principalmente dos partes: pérdida dieléctrica y pérdida de conductor. La proporción de los dos depende principalmente del grosor del sustrato del circuito. Para sustratos más delgados, la pérdida del conductor es el componente principal. Por muchas razones, generalmente es difícil predecir con precisión la pérdida del conductor. Por ejemplo, la rugosidad de la superficie de un conductor tiene una gran influencia en las características de transmisión de las ondas electromagnéticas. La rugosidad de la superficie de la lámina de cobre no solo cambiará la constante de propagación de ondas electromagnéticas del circuito de microbanda, sino que también aumentará la pérdida del conductor del circuito. Debido al efecto piel, la influencia de la rugosidad de la lámina de cobre en la pérdida del conductor también depende de la frecuencia. La Figura 1 compara la pérdida de inserción de circuitos de línea de transmisión de microcinta de 50 ohmios en función de diferentes espesores de PCB, que son 6.6 milésimas de pulgada y 10 milésimas de pulgada, respectivamente.

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.

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.