જ્યારે ઉચ્ચ આવર્તન/માઈક્રોવેવ રેડિયો ફ્રિકવન્સી સિગ્નલ માં આપવામાં આવે છે પીસીબી સર્કિટ, સર્કિટ અને સર્કિટ સામગ્રીને કારણે થતા નુકસાન અનિવાર્યપણે ચોક્કસ માત્રામાં ગરમી ઉત્પન્ન કરશે. નુકસાન જેટલું વધારે છે, પીસીબી સામગ્રીમાંથી પસાર થતી વધુ શક્તિ અને વધુ ગરમી ઉત્પન્ન થાય છે. જ્યારે સર્કિટનું ઓપરેટિંગ તાપમાન રેટેડ મૂલ્ય કરતાં વધી જાય છે, ત્યારે સર્કિટ કેટલીક સમસ્યાઓનું કારણ બની શકે છે. ઉદાહરણ તરીકે, લાક્ષણિક ઓપરેટિંગ પેરામીટર MOT, જે PCBsમાં જાણીતું છે, તે મહત્તમ ઓપરેટિંગ તાપમાન છે. જ્યારે ઓપરેટિંગ તાપમાન MOT કરતાં વધી જાય છે, ત્યારે PCB સર્કિટની કામગીરી અને વિશ્વસનીયતા જોખમમાં આવશે. ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક મોડેલિંગ અને પ્રાયોગિક માપનના સંયોજન દ્વારા, RF માઇક્રોવેવ PCBs ની થર્મલ લાક્ષણિકતાઓને સમજવાથી સર્કિટની કામગીરીમાં ઘટાડો અને ઉચ્ચ તાપમાનના કારણે વિશ્વસનીયતાના અધોગતિને ટાળવામાં મદદ મળી શકે છે.

સર્કિટ સામગ્રીમાં કેવી રીતે નિવેશ નુકશાન થાય છે તે સમજવું ઉચ્ચ-આવર્તન પીસીબી સર્કિટના થર્મલ પ્રદર્શન સાથે સંબંધિત મહત્વપૂર્ણ પરિબળોને વધુ સારી રીતે વર્ણવવામાં મદદ કરે છે. સર્કિટના થર્મલ પર્ફોર્મન્સને લગતા ટ્રેડ-ઓફની ચર્ચા કરવા માટે આ લેખ માઇક્રોસ્ટ્રીપ ટ્રાન્સમિશન લાઇન સર્કિટને ઉદાહરણ તરીકે લેશે. ડબલ-સાઇડેડ PCB સ્ટ્રક્ચર સાથે માઇક્રોસ્ટ્રીપ સર્કિટમાં, નુકસાનમાં ડાઇલેક્ટ્રિક લોસ, કંડક્ટર લોસ, રેડિયેશન લોસ અને લિકેજ લોસનો સમાવેશ થાય છે. વિવિધ નુકશાન ઘટકો વચ્ચેનો તફાવત મોટો છે. કેટલાક અપવાદો સાથે, ઉચ્ચ-આવર્તન પીસીબી સર્કિટનું લિકેજ નુકશાન સામાન્ય રીતે ખૂબ ઓછું હોય છે. આ લેખમાં, લીકેજ નુકશાન મૂલ્ય ખૂબ જ ઓછું હોવાથી, તે સમય માટે અવગણવામાં આવશે.

રેડિયેશન નુકશાન

રેડિયેશન નુકશાન ઘણા સર્કિટ પરિમાણો પર આધાર રાખે છે જેમ કે ઓપરેટિંગ ફ્રીક્વન્સી, સર્કિટ સબસ્ટ્રેટની જાડાઈ, PCB ડાઇલેક્ટ્રિક કોન્સ્ટન્ટ (રિલેટિવ ડાઇલેક્ટ્રિક કોન્સ્ટન્ટ અથવા εr) અને ડિઝાઇન પ્લાન. જ્યાં સુધી ડિઝાઇન સ્કીમનો સંબંધ છે ત્યાં સુધી, રેડિયેશનની ખોટ ઘણીવાર સર્કિટમાં નબળા અવબાધ પરિવર્તન અથવા સર્કિટમાં ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક વેવ ટ્રાન્સમિશનમાં તફાવતને કારણે થાય છે. સર્કિટ ઈમ્પીડેન્સ ટ્રાન્સફોર્મેશન એરિયામાં સામાન્ય રીતે સિગ્નલ ફીડ-ઈન એરિયા, સ્ટેપ ઈમ્પીડેન્સ પોઈન્ટ, સ્ટબ અને મેચિંગ નેટવર્કનો સમાવેશ થાય છે. વાજબી સર્કિટ ડિઝાઇન સરળ અવબાધ પરિવર્તનને અનુભવી શકે છે, જેનાથી સર્કિટના કિરણોત્સર્ગના નુકસાનમાં ઘટાડો થાય છે. અલબત્ત, તે સમજવું જોઈએ કે સર્કિટના કોઈપણ ઈન્ટરફેસ પર રેડિયેશનના નુકશાન તરફ દોરી જતા અવબાધની અસંગતતાની શક્યતા છે. ઓપરેટિંગ ફ્રીક્વન્સીના દૃષ્ટિકોણથી, સામાન્ય રીતે આવર્તન જેટલી વધારે હોય છે, સર્કિટનું રેડિયેશન નુકસાન વધારે હોય છે.

રેડિયેશન નુકશાન સંબંધિત સર્કિટ સામગ્રીના પરિમાણો મુખ્યત્વે ડાઇલેક્ટ્રિક કોન્સ્ટન્ટ અને PCB સામગ્રીની જાડાઈ છે. સર્કિટ સબસ્ટ્રેટ જેટલું ગાઢ, રેડિયેશન નુકશાન થવાની શક્યતા વધારે છે; પીસીબી મટિરિયલનું εr જેટલું નીચું હશે, તેટલું સર્કિટનું રેડિયેશન નુકશાન વધારે છે. સામગ્રીની લાક્ષણિકતાઓને વ્યાપક રૂપે તોલતા, પાતળા સર્કિટ સબસ્ટ્રેટનો ઉપયોગ ઓછી εr સર્કિટ સામગ્રીને કારણે થતા રેડિયેશન નુકસાનને સરભર કરવાના માર્ગ તરીકે ઉપયોગ કરી શકાય છે. સર્કિટ રેડિયેશન નુકશાન પર સર્કિટ સબસ્ટ્રેટની જાડાઈ અને εr નો પ્રભાવ એટલા માટે છે કારણ કે તે આવર્તન-આધારિત કાર્ય છે. જ્યારે સર્કિટ સબસ્ટ્રેટની જાડાઈ 20mil કરતાં વધુ ન હોય અને ઓપરેટિંગ ફ્રીક્વન્સી 20GHz કરતાં ઓછી હોય, ત્યારે સર્કિટનું રેડિયેશન નુકસાન ખૂબ ઓછું હોય છે. આ લેખમાં મોટાભાગની સર્કિટ મોડેલિંગ અને માપન ફ્રીક્વન્સીઝ 20GHz કરતાં ઓછી હોવાથી, આ લેખમાંની ચર્ચા સર્કિટ હીટિંગ પરના રેડિયેશન નુકસાનના પ્રભાવને અવગણશે.

20GHz ની નીચે રેડિયેશન નુકશાનને અવગણ્યા પછી, માઇક્રોસ્ટ્રીપ ટ્રાન્સમિશન લાઇન સર્કિટના નિવેશ નુકશાનમાં મુખ્યત્વે બે ભાગોનો સમાવેશ થાય છે: ડાઇલેક્ટ્રિક નુકશાન અને વાહક નુકશાન. બેનું પ્રમાણ મુખ્યત્વે સર્કિટ સબસ્ટ્રેટની જાડાઈ પર આધારિત છે. પાતળા સબસ્ટ્રેટ્સ માટે, વાહકનું નુકસાન એ મુખ્ય ઘટક છે. ઘણા કારણોસર, સામાન્ય રીતે વાહકના નુકસાનની ચોક્કસ આગાહી કરવી મુશ્કેલ છે. ઉદાહરણ તરીકે, વાહકની સપાટીની ખરબચડી ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક તરંગોની ટ્રાન્સમિશન લાક્ષણિકતાઓ પર ભારે પ્રભાવ ધરાવે છે. તાંબાના વરખની સપાટીની ખરબચડી માત્ર માઇક્રોસ્ટ્રીપ સર્કિટના ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક તરંગ પ્રચાર સ્થિરતાને બદલશે નહીં, પરંતુ સર્કિટના કંડક્ટરના નુકસાનમાં પણ વધારો કરશે. ત્વચાની અસરને લીધે, વાહકના નુકશાન પર કોપર ફોઇલની રફનેસનો પ્રભાવ પણ આવર્તન-આધારિત છે. આકૃતિ 1 વિવિધ PCB જાડાઈ પર આધારિત 50 ઓહ્મ માઇક્રોસ્ટ્રીપ ટ્રાન્સમિશન લાઇન સર્કિટના નિવેશ નુકશાનની તુલના કરે છે, જે અનુક્રમે 6.6 mils અને 10 mils છે.

25

આકૃતિ 1. વિવિધ જાડાઈની PCB સામગ્રી પર આધારિત 50 ઓહ્મ માઇક્રોસ્ટ્રીપ ટ્રાન્સમિશન લાઇન સર્કિટની સરખામણી

માપેલા અને સિમ્યુલેટેડ પરિણામો

આકૃતિ 1 માં વળાંક માપેલા પરિણામો અને સિમ્યુલેશન પરિણામો ધરાવે છે. સિમ્યુલેશન પરિણામો રોજર્સ કોર્પોરેશનના MWI-2010 માઇક્રોવેવ ઇમ્પીડેન્સ કેલ્ક્યુલેશન સોફ્ટવેરનો ઉપયોગ કરીને મેળવવામાં આવે છે. MWI-2010 સોફ્ટવેર માઇક્રોસ્ટ્રીપ લાઇન મોડેલિંગના ક્ષેત્રમાં ક્લાસિક પેપર્સમાં વિશ્લેષણાત્મક સમીકરણોને ટાંકે છે. આકૃતિ 1 માં ટેસ્ટ ડેટા વેક્ટર નેટવર્ક વિશ્લેષકની વિભેદક લંબાઈ માપન પદ્ધતિ દ્વારા મેળવવામાં આવે છે. તે ફિગ 1 પરથી જોઈ શકાય છે કે કુલ નુકશાન વળાંકના સિમ્યુલેશન પરિણામો મૂળભૂત રીતે માપેલા પરિણામો સાથે સુસંગત છે. તે આકૃતિ પરથી જોઈ શકાય છે કે પાતળા સર્કિટ (ડાબી બાજુનો વળાંક 6.6 મિલની જાડાઈને અનુરૂપ છે) ની કંડક્ટરની ખોટ એ કુલ નિવેશ નુકશાનનું મુખ્ય ઘટક છે. જેમ જેમ સર્કિટની જાડાઈ વધે છે (જમણી બાજુના વળાંકને અનુરૂપ જાડાઈ 10 મિલ છે), ડાઇલેક્ટ્રિક નુકશાન અને વાહકની ખોટ નજીક આવે છે, અને બે મળીને કુલ નિવેશ નુકશાન બનાવે છે.

આકૃતિ 1 માં સિમ્યુલેશન મોડલ અને વાસ્તવિક સર્કિટમાં વપરાતા સર્કિટ મટિરિયલ પેરામીટર્સ છે: ડાઇલેક્ટ્રિક કોન્સ્ટન્ટ 3.66, લોસ ફેક્ટર 0.0037, અને કોપર કંડક્ટર સપાટીની રફનેસ 2.8 um RMS. જ્યારે સમાન સર્કિટ સામગ્રી હેઠળના કોપર ફોઇલની સપાટીની ખરબચડી ઓછી થાય છે, ત્યારે આકૃતિ 6.6 માં 10 મિલ અને 1 મિલ સર્કિટના વાહકનું નુકસાન નોંધપાત્ર રીતે ઘટશે; જો કે, 20 મિલ સર્કિટ માટે અસર સ્પષ્ટ નથી. આકૃતિ 2 વિવિધ ખરબચડી સાથે બે સર્કિટ સામગ્રીના પરીક્ષણ પરિણામો દર્શાવે છે, જેમ કે ઉચ્ચ ખરબચડી સાથે રોજર્સ RO4350B™ પ્રમાણભૂત સર્કિટ સામગ્રી અને ઓછી ખરબચડી સાથે Rogers RO4350B LoPro™ સર્કિટ સામગ્રી.

આકૃતિ 2 માઇક્રોસ્ટ્રીપ સર્કિટ્સ પર પ્રક્રિયા કરવા માટે સરળ કોપર ફોઇલ સપાટી સબસ્ટ્રેટનો ઉપયોગ કરવાના ફાયદા દર્શાવે છે. પાતળા સબસ્ટ્રેટ્સ માટે, સરળ કોપર ફોઇલનો ઉપયોગ નોંધપાત્ર રીતે નિવેશના નુકસાનને ઘટાડી શકે છે. 6.6mil સબસ્ટ્રેટ માટે, સરળ કોપર ફોઇલના ઉપયોગને કારણે 0.3GHz પર નિવેશ નુકશાન 20 dB દ્વારા ઘટે છે; 10mil સબસ્ટ્રેટને 0.22GHz પર 20 dB દ્વારા ઘટાડવામાં આવે છે; અને 20mil સબસ્ટ્રેટ, નિવેશ નુકશાન માત્ર 0.11 dB દ્વારા ઘટે છે.

આકૃતિ 1 અને આકૃતિ 2 માં બતાવ્યા પ્રમાણે, સર્કિટ સબસ્ટ્રેટ જેટલું પાતળું હશે, સર્કિટનું નિવેશ નુકશાન વધારે છે. આનો અર્થ એ છે કે જ્યારે સર્કિટને ચોક્કસ માત્રામાં RF માઇક્રોવેવ પાવર આપવામાં આવે છે, ત્યારે સર્કિટ જેટલી પાતળી હશે તે વધુ ગરમી ઉત્પન્ન કરશે. જ્યારે સર્કિટ હીટિંગના મુદ્દાને વ્યાપક રીતે તોલવામાં આવે છે, ત્યારે એક તરફ, પાતળું સર્કિટ ઉચ્ચ પાવર લેવલ પર જાડા સર્કિટ કરતાં વધુ ગરમી ઉત્પન્ન કરે છે, પરંતુ બીજી તરફ, પાતળું સર્કિટ હીટ સિંક દ્વારા વધુ અસરકારક ગરમીનો પ્રવાહ મેળવી શકે છે. તાપમાન પ્રમાણમાં ઓછું રાખો.

સર્કિટની ગરમીની સમસ્યાને ઉકેલવા માટે, આદર્શ પાતળા સર્કિટમાં નીચેની લાક્ષણિકતાઓ હોવી જોઈએ: સર્કિટ સામગ્રીનું ઓછું નુકશાન પરિબળ, સરળ તાંબાની પાતળી સપાટી, ઓછી εr અને ઉચ્ચ થર્મલ વાહકતા. ઉચ્ચ εr ની સર્કિટ સામગ્રીની તુલનામાં, નીચા εr ની સ્થિતિમાં મેળવેલ સમાન અવબાધની વાહક પહોળાઈ મોટી હોઈ શકે છે, જે સર્કિટના વાહકની ખોટને ઘટાડવા માટે ફાયદાકારક છે. સર્કિટ હીટ ડિસીપેશનના પરિપ્રેક્ષ્યમાં, જો કે મોટાભાગના ઉચ્ચ-આવર્તન પીસીબી સર્કિટ સબસ્ટ્રેટ્સમાં વાહકની તુલનામાં ખૂબ જ નબળી થર્મલ વાહકતા હોય છે, સર્કિટ સામગ્રીની થર્મલ વાહકતા હજુ પણ ખૂબ જ મહત્વપૂર્ણ પરિમાણ છે.

સર્કિટ સબસ્ટ્રેટ્સની થર્મલ વાહકતા વિશે ઘણી ચર્ચાઓ અગાઉના લેખોમાં વિસ્તૃત કરવામાં આવી છે, અને આ લેખ અગાઉના લેખોમાંથી કેટલાક પરિણામો અને માહિતીને ટાંકશે. ઉદાહરણ તરીકે, નીચેના સમીકરણ અને આકૃતિ 3 PCB સર્કિટ સામગ્રીના થર્મલ પ્રભાવને લગતા પરિબળોને સમજવા માટે મદદરૂપ છે. સમીકરણમાં, k એ થર્મલ વાહકતા છે (W/m/K), A એ વિસ્તાર છે, TH એ ઉષ્મા સ્ત્રોતનું તાપમાન છે, TC એ ઠંડા સ્ત્રોતનું તાપમાન છે, અને L એ ગરમીના સ્ત્રોત અને વચ્ચેનું અંતર છે. ઠંડા સ્ત્રોત.