هنگامی که سیگنال فرکانس رادیویی فرکانس بالا/مایکروویو به داخل PCB مدار، تلفات ناشی از خود مدار و مواد مدار ناگزیر مقدار معینی گرما تولید می کند. هر چه تلفات بیشتر باشد، قدرت عبوری از مواد PCB بیشتر می شود و گرمای تولید شده بیشتر می شود. زمانی که دمای کار مدار از مقدار نامی بیشتر شود، مدار ممکن است مشکلاتی ایجاد کند. به عنوان مثال، پارامتر عملیاتی معمولی MOT، که در PCB ها به خوبی شناخته شده است، حداکثر دمای عملیاتی است. هنگامی که دمای کار از MOT بیشتر شود، عملکرد و قابلیت اطمینان مدار PCB به خطر می افتد. از طریق ترکیب مدل‌سازی الکترومغناطیسی و اندازه‌گیری‌های تجربی، درک ویژگی‌های حرارتی PCB‌های مایکروویو RF می‌تواند به جلوگیری از تخریب عملکرد مدار و تخریب قابلیت اطمینان ناشی از دماهای بالا کمک کند.

درک اینکه چگونه از دست دادن درج در مواد مدار رخ می دهد به توصیف بهتر عوامل مهم مرتبط با عملکرد حرارتی مدارهای PCB با فرکانس بالا کمک می کند. این مقاله مدار خط انتقال میکرواستریپ را به عنوان مثال برای بحث در مورد معاوضه های مربوط به عملکرد حرارتی مدار در نظر می گیرد. در یک مدار میکرواستریپ با ساختار PCB دو طرفه، تلفات شامل تلفات دی الکتریک، از دست دادن هادی، افت تشعشع و تلفات نشتی است. تفاوت بین اجزای مختلف ضرر زیاد است. به استثنای چند مورد، تلفات نشتی مدارهای PCB فرکانس بالا معمولاً بسیار کم است. در این مقاله از آنجایی که مقدار تلفات نشتی بسیار پایین است، فعلاً نادیده گرفته خواهد شد.

از دست دادن تشعشع

تلفات تابش به پارامترهای زیادی مدار مانند فرکانس کاری، ضخامت بستر مدار، ثابت دی الکتریک PCB (ثابت دی الکتریک نسبی یا εr) و طرح طراحی بستگی دارد. تا آنجا که به طرح‌های طراحی مربوط می‌شود، تلفات تشعشع اغلب از تبدیل امپدانس ضعیف در مدار یا تفاوت در انتقال امواج الکترومغناطیسی در مدار ناشی می‌شود. ناحیه تبدیل امپدانس مدار معمولاً شامل ناحیه ورودی سیگنال، نقطه امپدانس پله، خرد و شبکه تطبیق است. طراحی مدار معقول می تواند تبدیل امپدانس صاف را تحقق بخشد و در نتیجه اتلاف تشعشع مدار را کاهش دهد. البته باید توجه داشت که احتمال عدم تطابق امپدانس منجر به از دست دادن تابش در هر رابط مدار وجود دارد. از نقطه نظر فرکانس کاری، معمولاً هر چه فرکانس بالاتر باشد، تلفات تابشی مدار بیشتر می شود.

پارامترهای مواد مدار مربوط به افت تابش عمدتاً ثابت دی الکتریک و ضخامت مواد PCB است. هرچه بستر مدار ضخیم‌تر باشد، احتمال اتلاف تشعشع بیشتر می‌شود. هرچه er از ماده PCB کمتر باشد، اتلاف تابش مدار بیشتر است. با وزن کردن کامل ویژگی های مواد، استفاده از بسترهای مدار نازک می تواند به عنوان راهی برای جبران اتلاف تشعشع ناشی از مواد مدار کم εr مورد استفاده قرار گیرد. تأثیر ضخامت بستر مدار و εr بر افت تابش مدار به این دلیل است که تابعی وابسته به فرکانس است. هنگامی که ضخامت بستر مدار از 20 میل تجاوز نکند و فرکانس کاری کمتر از 20 گیگاهرتز باشد، افت تابش مدار بسیار کم است. از آنجایی که اکثر فرکانس‌های مدل‌سازی و اندازه‌گیری مدار در این مقاله کمتر از 20 گیگاهرتز هستند، بحث در این مقاله تأثیر افت تشعشع بر گرمایش مدار را نادیده می‌گیرد.

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

نتایج اندازه گیری و شبیه سازی شده

منحنی شکل 1 شامل نتایج اندازه گیری شده و نتایج شبیه سازی است. نتایج شبیه سازی با استفاده از نرم افزار محاسبه امپدانس مایکروویو MWI-2010 شرکت راجرز به دست آمده است. نرم افزار MWI-2010 معادلات تحلیلی در مقالات کلاسیک در زمینه مدل سازی خط میکرواستریپ را نقل می کند. داده های آزمون در شکل 1 با روش اندازه گیری طول تفاضلی یک تحلیلگر شبکه برداری به دست آمده است. از شکل 1 می توان دید که نتایج شبیه سازی منحنی تلفات کل اساساً با نتایج اندازه گیری شده مطابقت دارد. از شکل می توان دریافت که افت هادی مدار نازک تر (منحنی سمت چپ مطابق با ضخامت 6.6 میلی متر است) جزء اصلی افت کل درج است. با افزایش ضخامت مدار (ضخامت متناظر با منحنی سمت راست 10 میل است)، تلفات دی الکتریک و تلفات هادی تمایل دارند نزدیک شوند و این دو با هم تلفات ورودی کل را تشکیل می دهند.

مدل شبیه سازی در شکل 1 و پارامترهای مواد مدار مورد استفاده در مدار واقعی عبارتند از: ثابت دی الکتریک 3.66، ضریب تلفات 0.0037، و زبری سطح هادی مسی 2.8 um RMS. هنگامی که زبری سطح فویل مسی در زیر همان مواد مدار کاهش می یابد، از دست دادن هادی مدارهای 6.6 میل و 10 میل در شکل 1 به میزان قابل توجهی کاهش می یابد. با این حال، این اثر برای مدار 20 میل آشکار نیست. شکل 2 نتایج آزمایش دو ماده مدار با زبری متفاوت، یعنی مواد مدار استاندارد Rogers RO4350B™ با زبری بالا و مواد مدار Rogers RO4350B LoPro™ با زبری کم را نشان می دهد.

همانطور که در شکل 1 و شکل 2 نشان داده شده است، هر چه بستر مدار نازک تر باشد، تلفات درج مدار بیشتر می شود. این بدان معنی است که وقتی مدار با مقدار مشخصی از توان مایکروویو RF تغذیه می شود، هر چه مدار نازکتر باشد گرمای بیشتری تولید می کند. هنگام سنجیدن جامع مسئله گرمایش مدار، از یک سو، یک مدار نازک‌تر گرمای بیشتری نسبت به مدار ضخیم در سطوح توان بالا تولید می‌کند، اما از سوی دیگر، یک مدار نازک‌تر می‌تواند جریان گرمای موثرتری را از طریق هیت سینک به دست آورد. دما را نسبتاً پایین نگه دارید.

برای حل مشکل گرمایش مدار، مدار نازک ایده‌آل باید دارای ویژگی‌های زیر باشد: ضریب تلفات کم مواد مدار، سطح نازک مس صاف، εr کم و هدایت حرارتی بالا. در مقایسه با مواد مدار با εr بالا، عرض هادی همان امپدانس بدست آمده در شرایط εr پایین می تواند بزرگتر باشد، که برای کاهش تلفات هادی مدار مفید است. از منظر اتلاف حرارت مدار، اگرچه بیشتر بسترهای مدار مدار چاپی فرکانس بالا نسبت به هادی ها رسانایی حرارتی بسیار ضعیفی دارند، رسانایی حرارتی مواد مدار هنوز یک پارامتر بسیار مهم است.

بحث‌های زیادی در مورد هدایت حرارتی زیرلایه‌های مدار در مقالات قبلی شرح داده شده است و این مقاله نتایج و اطلاعاتی را از مقالات قبلی نقل می‌کند. برای مثال، معادله زیر و شکل 3 برای درک عوامل مرتبط با عملکرد حرارتی مواد مدار PCB مفید است. در معادله k هدایت حرارتی (W/m/K)، A مساحت، TH دمای منبع گرما، TC دمای منبع سرد و L فاصله بین منبع گرما و منبع سرما