Amikor a nagyfrekvenciás/mikrohullámú rádiófrekvenciás jelet a készülékbe táplálják PCB áramkör, maga az áramkör és az áramkör anyaga által okozott veszteség elkerülhetetlenül bizonyos mennyiségű hőt termel. Minél nagyobb a veszteség, annál nagyobb a teljesítmény, amely áthalad a PCB anyagon, és annál nagyobb a keletkező hő. Ha az áramkör üzemi hőmérséklete meghaladja a névleges értéket, az áramkör problémákat okozhat. Például a NYÁK-ban jól ismert MOT tipikus működési paraméter a maximális üzemi hőmérséklet. Ha az üzemi hőmérséklet meghaladja a MOT értéket, a PCB áramkör teljesítménye és megbízhatósága veszélybe kerül. Az elektromágneses modellezés és a kísérleti mérések kombinációja révén az RF mikrohullámú PCB-k termikus jellemzőinek megértése segíthet elkerülni az áramkör teljesítményének és a megbízhatóságnak a magas hőmérséklet által okozott romlását.

Az áramköri anyagokban előforduló beillesztési veszteség megértése segít jobban leírni a nagyfrekvenciás PCB áramkörök hőteljesítményével kapcsolatos fontos tényezőket. Ez a cikk a mikroszalagos átviteli vonal áramkörét veszi példaként, hogy megvitassák az áramkör hőteljesítményével kapcsolatos kompromisszumokat. A kétoldalas PCB szerkezetű mikroszalagos áramkörben a veszteségek közé tartozik a dielektromos veszteség, a vezetőveszteség, a sugárzási veszteség és a szivárgási veszteség. A különböző veszteségkomponensek közötti különbség nagy. Néhány kivételtől eltekintve a nagyfrekvenciás PCB áramkörök szivárgási vesztesége általában nagyon alacsony. Ebben a cikkben, mivel a szivárgási veszteség értéke nagyon alacsony, egyelőre figyelmen kívül hagyjuk.

Sugárzás veszteség

A sugárzási veszteség számos áramköri paramétertől függ, mint például a működési frekvencia, az áramköri hordozó vastagsága, a PCB dielektromos állandója (relatív dielektromos állandó vagy εr) és a tervezési terv. Ami a tervezési sémákat illeti, a sugárzási veszteség gyakran az áramkör rossz impedancia-transzformációjából vagy az áramkörben az elektromágneses hullámátvitel különbségeiből ered. Az áramköri impedancia transzformációs terület általában magában foglalja a jel betáplálási területet, a lépcsős impedancia pontot, a csonkot és a megfelelő hálózatot. Az ésszerű áramkör-tervezés sima impedancia transzformációt valósíthat meg, ezáltal csökkentve az áramkör sugárzási veszteségét. Természetesen figyelembe kell venni, hogy az áramkör bármely interfészén fennáll az impedancia eltérésének lehetősége, amely sugárzásveszteséget okoz. Az üzemi frekvencia szempontjából általában minél nagyobb a frekvencia, annál nagyobb az áramkör sugárzási vesztesége.

Az áramköri anyagok sugárzási veszteséggel kapcsolatos paraméterei elsősorban a dielektromos állandó és a PCB anyagvastagság. Minél vastagabb az áramköri hordozó, annál nagyobb a sugárzási veszteség okozásának lehetősége; minél kisebb a PCB anyag εr-je, annál nagyobb az áramkör sugárzási vesztesége. Átfogóan mérlegelve az anyagjellemzőket, a vékony áramköri hordozók használata az alacsony εr áramköri anyagok által okozott sugárzási veszteség ellensúlyozására használható. Az áramköri hordozóvastagság és az εr befolyása az áramkör sugárzási veszteségére azért van, mert ez frekvenciafüggő függvény. Ha az áramköri hordozó vastagsága nem haladja meg a 20 mil-t, és a működési frekvencia kisebb, mint 20 GHz, az áramkör sugárzási vesztesége nagyon alacsony. Mivel az ebben a cikkben szereplő áramkör-modellezési és mérési frekvenciák többsége 20 GHz-nél alacsonyabb, a cikkben szereplő tárgyalás figyelmen kívül hagyja a sugárzási veszteségnek az áramkör fűtésére gyakorolt ​​hatását.

A 20 GHz alatti sugárzási veszteség figyelmen kívül hagyása után a mikroszalagos távvezeték-áramkör beillesztési vesztesége főként két részből áll: a dielektromos veszteségből és a vezetőveszteségből. A kettő aránya elsősorban az áramköri hordozó vastagságától függ. Vékonyabb aljzatoknál a vezetőveszteség a fő összetevő. Sok okból általában nehéz pontosan megjósolni a vezető elvesztését. Például egy vezető felületi érdessége óriási hatással van az elektromágneses hullámok átviteli jellemzőire. A rézfólia felületi érdessége nemcsak a mikroszalag áramkör elektromágneses hullámterjedési állandóját fogja megváltoztatni, hanem növeli az áramkör vezetőveszteségét is. A bőrhatás miatt a rézfólia érdességének a vezető veszteségre gyakorolt ​​hatása is frekvenciafüggő. Az 1. ábra összehasonlítja az 50 ohmos mikroszalagos átviteli vonal áramkörök beillesztési veszteségét a különböző PCB-vastagságok alapján, amelyek 6.6 mil, illetve 10 mil.

25

1. ábra Különböző vastagságú PCB anyagokon alapuló 50 ohmos mikroszalagos átviteli vonal áramkörök összehasonlítása

Mért és szimulált eredmények

Az 1. ábrán látható görbe a mért eredményeket és a szimulációs eredményeket tartalmazza. A szimulációs eredményeket a Rogers Corporation MWI-2010 mikrohullámú impedancia számító szoftverével kaptuk. Az MWI-2010 szoftver a mikroszalag vonalmodellezés területén a klasszikus tanulmányokban szereplő analitikai egyenleteket idézi. Az 1. ábrán látható vizsgálati adatokat egy vektorhálózat-analizátor differenciális hosszmérési módszerével kapjuk. Az 1. ábrán látható, hogy a teljes veszteséggörbe szimulációs eredményei alapvetően összhangban vannak a mért eredményekkel. Az ábrán látható, hogy a vékonyabb áramkör vezetővesztesége (a bal oldali görbe 6.6 mil vastagságnak felel meg) a teljes beillesztési veszteség fő összetevője. Az áramkör vastagságának növekedésével (a jobb oldali görbének megfelelő vastagság 10 mil), a dielektromos veszteség és a vezetőveszteség közeledik, és a kettő együtt alkotja a teljes beillesztési veszteséget.

Az 1. ábrán látható szimulációs modell és a tényleges áramkörben használt áramkör anyagparaméterei a következők: dielektromos állandó 3.66, veszteségi tényező 0.0037 és rézvezető felületi érdessége 2.8 um RMS. Ha a rézfólia felületi érdessége ugyanazon áramköri anyag alatt csökken, az 6.6. ábrán látható 10 mil és 1 miles áramkörök vezetővesztesége jelentősen csökken; a hatás azonban nem nyilvánvaló a 20 miles áramkör esetében. A 2. ábra két különböző érdességű áramköri anyag vizsgálati eredményeit mutatja, nevezetesen a Rogers RO4350B™ szabványos, nagy érdességű áramköri anyagot és az alacsony érdességű Rogers RO4350B LoPro™ áramköri anyagot.

A 2. ábra a sima rézfólia felületű szubsztrátum előnyeit mutatja a mikroszalagos áramkörök feldolgozásához. Vékonyabb aljzatoknál a sima rézfólia használatával jelentősen csökkenthető a beillesztési veszteség. A 6.6 miles szubsztrátum esetében a beillesztési veszteség 0.3 dB-lel csökken 20 GHz-en a sima rézfólia használata miatt; a 10mil szubsztrát 0.22 dB-lel csökken 20 GHz-en; és a 20mil-es szubsztrát esetén a beillesztési veszteség csak 0.11 dB-lel csökken.

Amint az 1. és 2. ábrán látható, minél vékonyabb az áramköri hordozó, annál nagyobb az áramkör beillesztési vesztesége. Ez azt jelenti, hogy ha az áramkört bizonyos mennyiségű RF mikrohullámú teljesítménnyel táplálják, annál vékonyabb az áramkör több hőt termel. A körfűtés kérdéskörének átfogó mérlegelésekor egyrészt a vékonyabb kör több hőt termel, mint egy vastag kör nagy teljesítményszinten, másrészt egy vékonyabb kör hatékonyabb hőáramlást biztosít a hűtőbordán keresztül. Tartsa a hőmérsékletet viszonylag alacsonyan.

Az áramkör fűtési problémájának megoldása érdekében az ideális vékony körnek a következő jellemzőkkel kell rendelkeznie: az áramkör anyagának alacsony veszteségi tényezője, sima réz vékony felület, alacsony εr és magas hővezető képesség. A nagy εr-es áramköri anyaghoz képest az alacsony εr mellett kapott azonos impedanciájú vezeték szélessége nagyobb lehet, ami előnyös az áramkör vezetőveszteségének csökkentése szempontjából. Az áramköri hőelvezetés szempontjából, bár a legtöbb nagyfrekvenciás PCB áramköri hordozó hővezető képessége nagyon gyenge a vezetőkhöz képest, az áramköri anyagok hővezető képessége még mindig nagyon fontos paraméter.

Az áramköri szubsztrátumok hővezető képességével kapcsolatos sok vitát kidolgoztak korábbi cikkek, és ez a cikk idéz néhány eredményt és információt a korábbi cikkekből. Például a következő egyenlet és a 3. ábra segít megérteni a PCB áramköri anyagok hőteljesítményével kapcsolatos tényezőket. Az egyenletben k a hővezető tényező (W/m/K), A a terület, TH a hőforrás hőmérséklete, TC a hidegforrás hőmérséklete, L pedig a hőforrás és a hőforrás közötti távolság. a hideg forrás.