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

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.

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.

پس از نادیده گرفتن اتلاف تشعشع زیر 20 گیگاهرتز، افت درج مدار خط انتقال میکرواستریپ عمدتاً شامل دو بخش است: تلفات دی الکتریک و افت هادی. نسبت این دو عمدتاً به ضخامت بستر مدار بستگی دارد. برای زیرلایه های نازک تر، از دست دادن هادی جزء اصلی است. به دلایل بسیاری، معمولاً پیش بینی دقیق تلفات هادی دشوار است. به عنوان مثال، زبری سطح یک هادی تأثیر زیادی بر ویژگی های انتقال امواج الکترومغناطیسی دارد. ناهمواری سطح فویل مسی نه تنها ثابت انتشار موج الکترومغناطیسی مدار میکرواستریپ را تغییر می‌دهد، بلکه افت هادی مدار را نیز افزایش می‌دهد. با توجه به اثر پوستی، تأثیر زبری ورق مسی بر از دست دادن هادی نیز وابسته به فرکانس است. شکل 1 تلفات درج مدارهای خط انتقال میکرواستریپ 50 اهم را بر اساس ضخامت های مختلف PCB که به ترتیب 6.6 و 10 میل هستند، مقایسه می کند.

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.

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