Kui kõrgsageduslik/mikrolaine raadiosageduslik signaal suunatakse seadmesse PCB vooluring, vooluringi enda ja ahela materjali põhjustatud kadu tekitab paratamatult teatud koguse soojust. Mida suurem on kadu, seda suurem on PCB materjali läbiv võimsus ja seda suurem on tekkiv soojus. Kui vooluahela töötemperatuur ületab nimiväärtust, võib vooluahel põhjustada probleeme. Näiteks tüüpiline tööparameeter MOT, mis on trükkplaatide puhul hästi tuntud, on maksimaalne töötemperatuur. Kui töötemperatuur ületab MOT-i, on PCB ahela jõudlus ja töökindlus ohus. Elektromagnetilise modelleerimise ja eksperimentaalsete mõõtmiste kombineerimise kaudu võib RF-mikrolaine PCB-de termiliste omaduste mõistmine aidata vältida kõrgete temperatuuride põhjustatud vooluahela jõudluse ja töökindluse halvenemist.

Arusaamine, kuidas vooluahela materjalides sisestuskadu tekib, aitab paremini kirjeldada kõrgsageduslike PCB-ahelate termilise jõudlusega seotud olulisi tegureid. Selles artiklis võetakse näitena mikroriba ülekandeliini vooluring, et arutada ahela soojusliku jõudlusega seotud kompromisse. Kahepoolse PCB struktuuriga mikroriba ahelas hõlmavad kaod dielektrikadu, juhi kadu, kiirguskadu ja lekkekadu. Erinevus erinevate kahjukomponentide vahel on suur. Kui mõned erandid välja arvata, on kõrgsageduslike PCB-ahelate lekkekadu üldiselt väga väike. Kuna lekkekao väärtus on väga madal, siis käesolevas artiklis seda esialgu eiratakse.

Kiirguskaotus

Kiirguskadu sõltub paljudest vooluahela parameetritest, nagu töösagedus, vooluringi substraadi paksus, PCB dielektriline konstant (suhteline dielektriline konstant või εr) ja projekteerimisplaan. Mis puudutab konstruktsiooniskeeme, siis kiirguskadu tuleneb sageli vooluahela kehvast impedantsi muundumisest või elektromagnetlainete ülekande erinevustest ahelas. Vooluahela impedantsi teisendusala hõlmab tavaliselt signaali sisendpiirkonda, astmelise impedantsi punkti, stub ja sobitusvõrku. Mõistlik vooluringi disain võib teostada sujuva impedantsi teisenduse, vähendades seeläbi ahela kiirguskadu. Muidugi tuleb mõista, et vooluahela mis tahes liideses võib tekkida impedantsi mittevastavus, mis põhjustab kiirguskadu. Töösageduse seisukohalt on tavaliselt seda suurem, mida kõrgem on sagedus, seda suurem on ahela kiirguskadu.

Kiirguskadudega seotud ahelamaterjalide parameetrid on peamiselt dielektriline konstant ja PCB materjali paksus. Mida paksem on vooluringi substraat, seda suurem on kiirguskadude tekitamise võimalus; mida väiksem on PCB materjali εr, seda suurem on ahela kiirguskadu. Materjali omaduste põhjalik kaalumisel saab õhukeste ahelate substraatide kasutamist kasutada madala εr-i ahela materjalide põhjustatud kiirguskadude kompenseerimiseks. Ahela substraadi paksuse ja εr mõju ahela kiirguskadudele tuleneb sellest, et see on sagedusest sõltuv funktsioon. Kui vooluringi substraadi paksus ei ületa 20mil ja töösagedus on madalam kui 20GHz, on vooluringi kiirguskadu väga väike. Kuna enamik selles artiklis kirjeldatud vooluahela modelleerimis- ja mõõtmissagedusi on alla 20 GHz, eiratakse käesolevas artiklis käsitletud kiirguskadude mõju vooluringi kuumutamisele.

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

Mõõdetud ja simuleeritud tulemused

Joonisel 1 olev kõver sisaldab mõõdetud tulemusi ja simulatsiooni tulemusi. Simulatsiooni tulemused saadakse Rogers Corporationi mikrolainetakistuse arvutamise tarkvara MWI-2010 abil. Tarkvara MWI-2010 tsiteerib analüütilisi võrrandeid mikroribajoonte modelleerimise valdkonnas klassikalistes dokumentides. Joonisel 1 olevad katseandmed on saadud vektorvõrgu analüsaatori diferentsiaalpikkuse mõõtmise meetodil. Jooniselt 1 on näha, et kogukaokõvera simulatsioonitulemused on põhimõtteliselt kooskõlas mõõdetud tulemustega. Jooniselt on näha, et õhema ahela juhtmekadu (vasakul olev kõver vastab paksusele 6.6 miili) on kogu sisestuskao põhikomponent. Kui vooluringi paksus suureneb (parempoolsele kõverale vastav paksus on 10 mil), kipuvad dielektriline kadu ja juhi kadu lähenema ning need kaks koos moodustavad kogu sisestuskao.

Joonisel 1 kujutatud simulatsioonimudel ja tegelikus vooluringis kasutatavad ahela materjali parameetrid on järgmised: dielektriline konstant 3.66, kadudegur 0.0037 ja vaskjuhi pinnakaredus 2.8 um RMS. Kui sama vooluahela materjali all oleva vaskfooliumi pinnakaredus väheneb, väheneb oluliselt joonisel 6.6 kujutatud 10 mil ja 1 mil ahelate juhtmekadu; mõju ei ole aga 20-millise vooluringi puhul ilmne. Joonisel 2 on näidatud kahe erineva karedusega vooluringi materjali, nimelt suure karedusega Rogers RO4350B™ standardse vooluahela materjali ja väikese karedusega Rogers RO4350B LoPro™ vooluringi materjali katsetulemused.

Nagu on näidatud joonistel 1 ja 2, mida õhem on vooluringi substraat, seda suurem on ahela sisestuskadu. See tähendab, et kui vooluringi toidetakse teatud hulga RF-mikrolainevõimsusega, siis seda õhem vooluahel tekitab rohkem soojust. Ringkütte probleemi terviklikul kaalumisel ühelt poolt toodab õhem vooluahel rohkem soojust kui paks ahel suure võimsusega, kuid teisest küljest saab õhem vooluahel saada tõhusama soojusvoo läbi jahutusradiaatori. Hoidke temperatuur suhteliselt madal.

Ahela kütteprobleemi lahendamiseks peaksid ideaalsel õhukesel vooluringil olema järgmised omadused: vooluahela materjali madal kadudegur, sile vasest õhuke pind, madal εr ja kõrge soojusjuhtivus. Võrreldes suure εr-iga skeemimaterjaliga võib madala εr-i tingimustes saadav sama impedantsiga juhi laius olla suurem, mis on kasulik ahela juhikadude vähendamiseks. Ahela soojuse hajumise seisukohast on vooluahela materjalide soojusjuhtivus siiski väga oluline parameeter, kuigi enamikul kõrgsageduslike PCB-ahela substraatidel on juhtmetega võrreldes väga halb soojusjuhtivus.

Varasemates artiklites on käsitletud palju arutlusi vooluringi substraatide soojusjuhtivuse üle ning see artikkel tsiteerib mõningaid tulemusi ja teavet varasematest artiklitest. Näiteks on järgmine võrrand ja joonis 3 abiks PCB ahela materjalide termilise jõudlusega seotud tegurite mõistmiseks. Võrrandis k on soojusjuhtivus (W/m/K), A on pindala, TH on soojusallika temperatuur, TC on külmaallika temperatuur ja L on soojusallika ja soojusallika vaheline kaugus. külma allikas.