Cando o sinal de radiofrecuencia de alta frecuencia/microondas se alimenta ao PCB circuíto, a perda causada polo propio circuíto e o material do circuíto xerará inevitablemente unha certa cantidade de calor. Canto maior sexa a perda, maior será a potencia que atravesa o material do PCB e maior será a calor xerada. Cando a temperatura de funcionamento do circuíto supera o valor nominal, o circuíto pode causar algúns problemas. Por exemplo, o parámetro operativo típico MOT, que é ben coñecido nos PCB, é a temperatura máxima de funcionamento. Cando a temperatura de funcionamento supere a ITV, o rendemento e a fiabilidade do circuíto PCB veranse ameazados. Mediante a combinación de modelado electromagnético e medicións experimentais, comprender as características térmicas dos PCB de microondas de RF pode axudar a evitar a degradación do rendemento dos circuítos e a degradación da fiabilidade causada polas altas temperaturas.

Comprender como se produce a perda de inserción nos materiais dos circuítos axuda a describir mellor os factores importantes relacionados co rendemento térmico dos circuítos de PCB de alta frecuencia. Este artigo tomará o circuíto da liña de transmisión de microstrip como exemplo para discutir os compromisos relacionados co rendemento térmico do circuíto. Nun circuíto de microstrip cunha estrutura de PCB de dobre cara, as perdas inclúen perdas dieléctricas, perdas de condutores, perdas de radiación e perdas de fugas. A diferenza entre os diferentes compoñentes de perda é grande. Con algunhas excepcións, a perda de fugas dos circuítos de PCB de alta frecuencia é xeralmente moi baixa. Neste artigo, dado que o valor da perda de fuga é moi baixo, ignorarase polo momento.

Perda de radiación

A perda de radiación depende de moitos parámetros do circuíto, como a frecuencia de funcionamento, o grosor do substrato do circuíto, a constante dieléctrica da PCB (constante dieléctrica relativa ou εr) e o plan de deseño. No que se refire aos esquemas de deseño, a perda de radiación adoita derivarse dunha mala transformación da impedancia no circuíto ou das diferenzas na transmisión de ondas electromagnéticas no circuíto. A área de transformación da impedancia do circuíto adoita incluír a área de alimentación de sinal, o punto de impedancia escalonada, o talón e a rede de adaptación. Un deseño de circuíto razoable pode realizar unha transformación de impedancia suave, reducindo así a perda de radiación do circuíto. Por suposto, hai que ter en conta que existe a posibilidade de que a impedancia non coincida con perda de radiación en calquera interface do circuíto. Desde o punto de vista da frecuencia de funcionamento, normalmente canto maior sexa a frecuencia, maior será a perda de radiación do circuíto.

Os parámetros dos materiais dos circuítos relacionados coa perda de radiación son principalmente a constante dieléctrica e o grosor do material PCB. Canto máis groso sexa o substrato do circuíto, maior é a posibilidade de provocar perdas de radiación; canto menor sexa o εr do material da PCB, maior será a perda de radiación do circuíto. Pesando exhaustivamente as características do material, o uso de substratos de circuítos finos pódese usar como unha forma de compensar a perda de radiación causada por materiais de circuíto de baixo εr. A influencia do grosor do substrato do circuíto e da εr na perda de radiación do circuíto débese a que é unha función dependente da frecuencia. Cando o grosor do substrato do circuíto non supera os 20 mil e a frecuencia de funcionamento é inferior a 20 GHz, a perda de radiación do circuíto é moi baixa. Dado que a maioría das frecuencias de medición e modelado de circuítos neste artigo son inferiores a 20 GHz, a discusión deste artigo ignorará a influencia da perda de radiación no quecemento do circuíto.

Despois de ignorar a perda de radiación por debaixo de 20 GHz, a perda de inserción dun circuíto de liña de transmisión de microstrip inclúe principalmente dúas partes: perda dieléctrica e perda de condutor. A proporción dos dous depende principalmente do grosor do substrato do circuíto. Para substratos máis finos, a perda de condutor é o principal compoñente. Por moitas razóns, xeralmente é difícil prever con precisión a perda do condutor. Por exemplo, a rugosidade da superficie dun condutor ten unha gran influencia nas características de transmisión das ondas electromagnéticas. A rugosidade da superficie da folla de cobre non só cambiará a constante de propagación das ondas electromagnéticas do circuíto de microstrip, senón que tamén aumentará a perda de condutor do circuíto. Debido ao efecto da pel, a influencia da rugosidade da folla de cobre na perda do condutor tamén depende da frecuencia. A Figura 1 compara a perda de inserción de circuítos de liñas de transmisión de microstrip de 50 ohmios en función de diferentes espesores de PCB, que son 6.6 mils e 10 mils, respectivamente.

25

Figura 1. Comparación de circuítos de liñas de transmisión de microtiras de 50 ohmios baseados en materiais de PCB de diferentes grosores

Resultados medidos e simulados

A curva da Figura 1 contén os resultados medidos e os resultados da simulación. Os resultados da simulación obtéñense utilizando o software de cálculo de impedancia de microondas MWI-2010 de Rogers Corporation. O software MWI-2010 cita as ecuacións analíticas nos artigos clásicos no campo do modelado de liñas de microstrip. Os datos da proba da Figura 1 obtéñense polo método de medición de lonxitude diferencial dun analizador de redes vectoriais. Na figura 1 pódese ver que os resultados da simulación da curva de perda total son basicamente consistentes cos resultados medidos. Na figura pódese ver que a perda de condutor do circuíto máis fino (a curva da esquerda corresponde a un espesor de 6.6 mil) é o principal compoñente da perda total de inserción. A medida que aumenta o grosor do circuíto (o grosor correspondente á curva da dereita é de 10 mil), a perda dieléctrica e a perda do condutor tenden a achegarse, e as dúas constitúen en conxunto a perda de inserción total.

O modelo de simulación da Figura 1 e os parámetros do material do circuíto utilizados no circuíto real son: constante dieléctrica 3.66, factor de perda 0.0037 e rugosidade da superficie do condutor de cobre 2.8 um RMS. Cando se reduce a rugosidade superficial da folla de cobre baixo o mesmo material do circuíto, a perda de condutor dos circuítos de 6.6 mil e 10 mil na Figura 1 reducirase significativamente; con todo, o efecto non é obvio para o circuíto de 20 mil. A figura 2 mostra os resultados das probas de dous materiais de circuíto con diferente rugosidade, a saber, o material de circuíto estándar Rogers RO4350B™ con alta rugosidade e o material de circuíto Rogers RO4350B LoPro™ con baixa rugosidade.

A figura 2 mostra as vantaxes de usar un substrato de superficie liso de folla de cobre para procesar circuítos de microtiras. Para substratos máis finos, o uso de folla de cobre lisa pode reducir significativamente a perda de inserción. Para o substrato de 6.6 mil, a perda de inserción redúcese en 0.3 dB a 20 GHz debido ao uso de folla de cobre lisa; o substrato de 10 mil redúcese en 0.22 dB a 20 GHz; e o substrato de 20 mil, a perda de inserción só se reduce en 0.11 dB.

Como se mostra na figura 1 e na figura 2, canto máis fino sexa o substrato do circuíto, maior será a perda de inserción do circuíto. Isto significa que cando o circuíto se alimenta cunha certa cantidade de potencia de microondas de RF, canto máis fino sexa o circuíto xerará máis calor. Cando se pondera exhaustivamente a cuestión do quecemento do circuíto, por unha banda, un circuíto máis fino xera máis calor que un circuíto groso a altos niveis de potencia, pero, por outra banda, un circuíto máis fino pode obter un fluxo de calor máis eficaz a través do disipador de calor. Mantén a temperatura relativamente baixa.

Para resolver o problema de calefacción do circuíto, o circuíto fino ideal debe ter as seguintes características: baixo factor de perda do material do circuíto, superficie fina de cobre lisa, baixo εr e alta condutividade térmica. En comparación co material do circuíto de alto εr, o ancho do condutor da mesma impedancia obtida baixo a condición de baixo εr pode ser maior, o que é beneficioso para reducir a perda de condutor do circuíto. Desde a perspectiva da disipación de calor do circuíto, aínda que a maioría dos substratos de circuítos de PCB de alta frecuencia teñen unha condutividade térmica moi pobre en relación aos condutores, a condutividade térmica dos materiais do circuíto segue sendo un parámetro moi importante.

Moitas discusións sobre a condutividade térmica dos substratos de circuítos foron elaboradas en artigos anteriores, e este artigo citará algúns resultados e información de artigos anteriores. Por exemplo, a seguinte ecuación e a figura 3 son útiles para comprender os factores relacionados co rendemento térmico dos materiais dos circuítos de PCB. Na ecuación, k é a condutividade térmica (W/m/K), A é a área, TH é a temperatura da fonte de calor, TC é a temperatura da fonte de frío e L é a distancia entre a fonte de calor e a fonte fría.