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

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.

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.

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.

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.