Ketika sinyal frekuensi radio frekuensi tinggi/microwave dimasukkan ke dalam PCB sirkuit, kerugian yang disebabkan oleh sirkuit itu sendiri dan bahan sirkuit pasti akan menghasilkan sejumlah panas. Semakin besar rugi-rugi maka semakin tinggi daya yang melewati bahan PCB, dan semakin besar panas yang dihasilkan. Ketika suhu operasi sirkuit melebihi nilai pengenal, sirkuit dapat menyebabkan beberapa masalah. Misalnya, parameter operasi khas MOT, yang terkenal di PCB, adalah suhu operasi maksimum. Ketika suhu operasi melebihi MOT, kinerja dan keandalan sirkuit PCB akan terancam. Melalui kombinasi pemodelan elektromagnetik dan pengukuran eksperimental, memahami karakteristik termal PCB gelombang mikro RF dapat membantu menghindari penurunan kinerja sirkuit dan penurunan keandalan yang disebabkan oleh suhu tinggi.

Memahami bagaimana kerugian penyisipan terjadi pada bahan sirkuit membantu untuk lebih menggambarkan faktor-faktor penting yang terkait dengan kinerja termal sirkuit PCB frekuensi tinggi. Artikel ini akan mengambil rangkaian saluran transmisi mikrostrip sebagai contoh untuk membahas pertukaran yang terkait dengan kinerja termal rangkaian. Dalam rangkaian mikrostrip dengan struktur PCB dua sisi, kerugian termasuk kehilangan dielektrik, kehilangan konduktor, kehilangan radiasi, dan kehilangan kebocoran. Perbedaan antara komponen kerugian yang berbeda besar. Dengan beberapa pengecualian, kehilangan kebocoran sirkuit PCB frekuensi tinggi umumnya sangat rendah. Dalam artikel ini, karena nilai kehilangan kebocoran sangat rendah, untuk sementara akan diabaikan.

Kehilangan radiasi

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.

Parameter bahan sirkuit yang terkait dengan kehilangan radiasi terutama konstanta dielektrik dan ketebalan bahan PCB. Semakin tebal substrat sirkuit, semakin besar kemungkinan menyebabkan hilangnya radiasi; semakin rendah r bahan PCB, semakin besar kehilangan radiasi sirkuit. Dengan menimbang karakteristik material secara komprehensif, penggunaan substrat sirkuit tipis dapat digunakan sebagai cara untuk mengimbangi kehilangan radiasi yang disebabkan oleh material sirkuit r rendah. Pengaruh ketebalan substrat sirkuit dan r pada kehilangan radiasi sirkuit karena merupakan fungsi yang bergantung pada frekuensi. Ketika ketebalan substrat sirkuit tidak melebihi 20mil dan frekuensi operasi lebih rendah dari 20GHz, kehilangan radiasi sirkuit sangat rendah. Karena sebagian besar pemodelan sirkuit dan frekuensi pengukuran dalam artikel ini lebih rendah dari 20GHz, pembahasan dalam artikel ini akan mengabaikan pengaruh kehilangan radiasi pada pemanasan sirkuit.

Setelah mengabaikan rugi-rugi radiasi di bawah 20GHz, rugi-rugi penyisipan sirkuit saluran transmisi mikrostrip terutama mencakup dua bagian: rugi dielektrik dan rugi konduktor. Proporsi keduanya terutama tergantung pada ketebalan substrat sirkuit. Untuk substrat yang lebih tipis, kehilangan konduktor adalah komponen utama. Karena berbagai alasan, umumnya sulit untuk memprediksi kerugian konduktor secara akurat. Misalnya, kekasaran permukaan konduktor memiliki pengaruh besar pada karakteristik transmisi gelombang elektromagnetik. Kekasaran permukaan foil tembaga tidak hanya akan mengubah konstanta propagasi gelombang elektromagnetik dari rangkaian mikrostrip, tetapi juga meningkatkan hilangnya konduktor dari rangkaian tersebut. Karena efek kulit, pengaruh kekasaran foil tembaga pada kehilangan konduktor juga bergantung pada frekuensi. Gambar 1 membandingkan kerugian penyisipan sirkuit saluran transmisi mikrostrip 50 ohm berdasarkan ketebalan PCB yang berbeda, yaitu masing-masing 6.6 mil dan 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.

Untuk mengatasi masalah pemanasan sirkuit, sirkuit tipis yang ideal harus memiliki karakteristik berikut: faktor kerugian rendah dari bahan sirkuit, permukaan tipis tembaga halus, r rendah dan konduktivitas termal tinggi. Dibandingkan dengan bahan rangkaian r tinggi, lebar konduktor dengan impedansi yang sama yang diperoleh pada kondisi r rendah dapat lebih besar, yang bermanfaat untuk mengurangi kerugian konduktor rangkaian. Dari perspektif disipasi panas sirkuit, meskipun sebagian besar substrat sirkuit PCB frekuensi tinggi memiliki konduktivitas termal yang sangat buruk relatif terhadap konduktor, konduktivitas termal bahan sirkuit masih merupakan parameter yang sangat penting.

Banyak diskusi tentang konduktivitas termal substrat sirkuit telah diuraikan dalam artikel sebelumnya, dan artikel ini akan mengutip beberapa hasil dan informasi dari artikel sebelumnya. Misalnya, persamaan berikut dan Gambar 3 sangat membantu untuk memahami faktor-faktor yang terkait dengan kinerja termal bahan rangkaian PCB. Dalam persamaan, k adalah konduktivitas termal (W/m/K), A adalah luas, TH adalah suhu sumber panas, TC adalah suhu sumber dingin, dan L adalah jarak antara sumber panas dan sumber dingin.