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

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.

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.

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 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.