Kada se visokofrekventni/mikrovalni radiofrekvencijski signal ubaci u PCB krug, gubitak uzrokovan samim krugom i materijalom kruga neizbježno će generirati određenu količinu topline. Što je veći gubitak, to je veća snaga koja prolazi kroz PCB materijal i veća je toplina koja se stvara. Kada radna temperatura kruga prijeđe nazivnu vrijednost, krug može uzrokovati neke probleme. Na primjer, tipični radni parametar MOT, koji je dobro poznat u PCB-ima, je maksimalna radna temperatura. Kada radna temperatura prijeđe MOT, performanse i pouzdanost sklopa PCB-a bit će ugroženi. Kombinacijom elektromagnetskog modeliranja i eksperimentalnih mjerenja, razumijevanje toplinskih karakteristika RF mikrovalnih PCB-a može pomoći u izbjegavanju degradacije performansi kruga i degradacije pouzdanosti uzrokovane visokim temperaturama.

Razumijevanje kako dolazi do gubitka umetanja u materijalima sklopova pomaže boljem opisu važnih čimbenika koji se odnose na toplinske performanse visokofrekventnih PCB krugova. Ovaj će članak uzeti mikrotrakasti sklop dalekovoda kao primjer za raspravu o kompromisima povezanim s toplinskom izvedbom kruga. U mikrotrakastom krugu s dvostranom PCB strukturom, gubici uključuju dielektrične gubitke, gubitak vodiča, gubitak zračenja i gubitak zbog curenja. Razlika između različitih komponenti gubitka je velika. Uz nekoliko iznimaka, gubitak zbog curenja visokofrekventnih PCB sklopova općenito je vrlo nizak. U ovom članku, budući da je vrijednost gubitka zbog curenja vrlo niska, za sada će se zanemariti.

Gubitak zračenja

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.

Parametri materijala sklopova koji se odnose na gubitak zračenja uglavnom su dielektrična konstanta i debljina PCB materijala. Što je podloga kruga deblja, veća je mogućnost gubitka radijacije; što je niži εr materijala PCB-a, veći je gubitak zračenja kruga. Sveobuhvatno vagajući karakteristike materijala, upotreba supstrata tankog kruga može se koristiti kao način nadoknađivanja gubitka zračenja uzrokovanog materijalima kruga s niskim εr. Utjecaj debljine podloge kruga i εr na gubitak zračenja kruga je zato što je to funkcija ovisna o frekvenciji. Kada debljina podloge kruga ne prelazi 20 mil, a radna frekvencija je niža od 20 GHz, gubitak zračenja kruga je vrlo nizak. Budući da je većina frekvencija modeliranja i mjerenja krugova u ovom članku niža od 20 GHz, rasprava u ovom članku zanemarit će utjecaj gubitka zračenja na grijanje kruga.

Nakon zanemarivanja gubitka radijacije ispod 20 GHz, gubitak umetanja mikrotrakastog prijenosnog kruga uglavnom uključuje dva dijela: dielektrični gubitak i gubitak vodiča. Udio njih dvoje uglavnom ovisi o debljini podloge kruga. Za tanje podloge gubitak vodiča je glavna komponenta. Iz mnogo razloga općenito je teško točno predvidjeti gubitak vodiča. Na primjer, hrapavost površine vodiča ima veliki utjecaj na karakteristike prijenosa elektromagnetskih valova. Hrapavost površine bakrene folije ne samo da će promijeniti konstantu širenja elektromagnetskih valova mikrotrakastog kruga, već će također povećati gubitak vodiča u krugu. Zbog skin efekta, utjecaj hrapavosti bakrene folije na gubitak vodiča također ovisi o frekvenciji. Slika 1 uspoređuje gubitak umetanja mikrotrakastih krugova dalekovoda od 50 ohma na temelju različitih debljina PCB-a, koje su 6.6 mils odnosno 10 mils.

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.

Kako bi se riješio problem grijanja kruga, idealni tanki krug trebao bi imati sljedeće karakteristike: nizak faktor gubitka materijala kruga, glatku bakrenu tanku površinu, nizak εr i visoku toplinsku vodljivost. U usporedbi s materijalom kruga s visokim εr, širina vodiča iste impedancije dobivena pod uvjetom niskog εr može biti veća, što je korisno za smanjenje gubitka vodiča u krugu. Iz perspektive odvođenja topline kruga, iako većina visokofrekventnih PCB supstrata krugova ima vrlo lošu toplinsku vodljivost u odnosu na vodiče, toplinska vodljivost materijala kruga je još uvijek vrlo važan parametar.

Mnogo rasprava o toplinskoj vodljivosti supstrata krugova razrađeno je u ranijim člancima, a ovaj će članak citirati neke rezultate i informacije iz ranijih članaka. Na primjer, sljedeća jednadžba i slika 3 su od pomoći za razumijevanje čimbenika koji se odnose na toplinske performanse materijala PCB sklopova. U jednadžbi je k toplinska vodljivost (W/m/K), A je površina, TH je temperatura izvora topline, TC je temperatura izvora hladnoće, a L je udaljenost između izvora topline i izvor hladnoće.