Quando il segnale di radiofrequenza ad alta frequenza/microonde viene immesso nel PCB circuito, la perdita causata dal circuito stesso e dal materiale del circuito genererà inevitabilmente una certa quantità di calore. Maggiore è la perdita, maggiore è la potenza che passa attraverso il materiale del PCB e maggiore è il calore generato. Quando la temperatura di esercizio del circuito supera il valore nominale, il circuito può causare alcuni problemi. Ad esempio, il tipico parametro operativo MOT, ben noto nei PCB, è la temperatura massima di esercizio. Quando la temperatura di esercizio supera il MOT, le prestazioni e l’affidabilità del circuito PCB saranno minacciate. Attraverso la combinazione di modellazione elettromagnetica e misurazioni sperimentali, la comprensione delle caratteristiche termiche dei PCB a microonde RF può aiutare a evitare il degrado delle prestazioni del circuito e il degrado dell’affidabilità causato dalle alte temperature.

Comprendere come si verifica la perdita di inserzione nei materiali dei circuiti aiuta a descrivere meglio i fattori importanti relativi alle prestazioni termiche dei circuiti PCB ad alta frequenza. Questo articolo prenderà come esempio il circuito della linea di trasmissione a microstriscia per discutere i compromessi relativi alle prestazioni termiche del circuito. In un circuito a microstriscia con una struttura PCB a doppia faccia, le perdite includono perdite dielettriche, perdite di conduttori, perdite di radiazioni e perdite di dispersione. La differenza tra le diverse componenti di perdita è grande. Con poche eccezioni, la perdita di dispersione dei circuiti PCB ad alta frequenza è generalmente molto bassa. In questo articolo, poiché il valore della perdita di dispersione è molto basso, per il momento verrà ignorato.

Perdita di radiazioni

La perdita di radiazione dipende da molti parametri del circuito come la frequenza operativa, lo spessore del substrato del circuito, la costante dielettrica del PCB (costante dielettrica relativa o εr) e il piano di progettazione. Per quanto riguarda gli schemi di progettazione, la perdita di radiazione spesso deriva da una scarsa trasformazione dell’impedenza nel circuito o da differenze nella trasmissione delle onde elettromagnetiche nel circuito. L’area di trasformazione dell’impedenza del circuito di solito include l’area di alimentazione del segnale, il punto di impedenza del gradino, lo stub e la rete di adattamento. Una progettazione ragionevole del circuito può realizzare una trasformazione dell’impedenza regolare, riducendo così la perdita di radiazioni del circuito. Naturalmente, dovrebbe essere compreso che esiste la possibilità di un disadattamento di impedenza che porta alla perdita di radiazioni in qualsiasi interfaccia del circuito. Dal punto di vista della frequenza operativa, solitamente maggiore è la frequenza, maggiore è la perdita di radiazione del circuito.

I parametri dei materiali del circuito relativi alla perdita di radiazione sono principalmente la costante dielettrica e lo spessore del materiale PCB. Più spesso è il substrato del circuito, maggiore è la possibilità di causare perdite di radiazioni; minore è il εr del materiale PCB, maggiore è la perdita di radiazione del circuito. Soppesando in modo completo le caratteristiche dei materiali, l’uso di substrati di circuiti sottili può essere utilizzato come un modo per compensare la perdita di radiazioni causata da materiali del circuito a basso εr. L’influenza dello spessore del substrato del circuito e di r sulla perdita di radiazione del circuito è dovuta al fatto che è una funzione dipendente dalla frequenza. Quando lo spessore del substrato del circuito non supera i 20 mil e la frequenza operativa è inferiore a 20 GHz, la perdita di radiazione del circuito è molto bassa. Poiché la maggior parte della modellazione del circuito e delle frequenze di misurazione in questo articolo sono inferiori a 20 GHz, la discussione in questo articolo ignorerà l’influenza della perdita di radiazione sul riscaldamento del circuito.

Dopo aver ignorato la perdita di radiazione al di sotto di 20 GHz, la perdita di inserzione di un circuito di linea di trasmissione a microstriscia comprende principalmente due parti: la perdita dielettrica e la perdita del conduttore. La proporzione dei due dipende principalmente dallo spessore del substrato del circuito. Per substrati più sottili, la perdita del conduttore è il componente principale. Per molte ragioni, è generalmente difficile prevedere con precisione la perdita del conduttore. Ad esempio, la rugosità superficiale di un conduttore ha un’enorme influenza sulle caratteristiche di trasmissione delle onde elettromagnetiche. La rugosità superficiale della lamina di rame non solo cambierà la costante di propagazione dell’onda elettromagnetica del circuito a microstriscia, ma aumenterà anche la perdita del conduttore del circuito. A causa dell’effetto pelle, anche l’influenza della rugosità della lamina di rame sulla perdita del conduttore dipende dalla frequenza. La Figura 1 confronta la perdita di inserzione di circuiti di linea di trasmissione a microstriscia da 50 ohm in base a diversi spessori del PCB, che sono rispettivamente 6.6 mil e 10 mil.

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Figura 1. Confronto di circuiti di linea di trasmissione a microstriscia da 50 ohm basati su materiali PCB di diversi spessori

Risultati misurati e simulati

La curva in Figura 1 contiene i risultati misurati ei risultati della simulazione. I risultati della simulazione sono ottenuti utilizzando il software di calcolo dell’impedenza a microonde MWI-2010 di Rogers Corporation. Il software MWI-2010 cita le equazioni analitiche nei classici articoli nel campo della modellazione di linee a microstriscia. I dati di prova nella Figura 1 sono ottenuti con il metodo di misurazione della lunghezza differenziale di un analizzatore di rete vettoriale. Si può vedere dalla Fig. 1 che i risultati della simulazione della curva di perdita totale sono sostanzialmente coerenti con i risultati misurati. Si può vedere dalla figura che la perdita di conduttore del circuito più sottile (la curva a sinistra corrisponde a uno spessore di 6.6 mil) è la componente principale della perdita di inserzione totale. All’aumentare dello spessore del circuito (lo spessore corrispondente alla curva a destra è 10mil), la perdita dielettrica e la perdita del conduttore tendono ad avvicinarsi, e le due insieme costituiscono la perdita di inserzione totale.

Il modello di simulazione in Figura 1 e i parametri del materiale del circuito utilizzati nel circuito effettivo sono: costante dielettrica 3.66, fattore di perdita 0.0037 e rugosità superficiale del conduttore in rame 2.8 um RMS. Quando viene ridotta la rugosità superficiale della lamina di rame sotto lo stesso materiale del circuito, la perdita del conduttore dei circuiti da 6.6 mil e 10 mil in Figura 1 sarà significativamente ridotta; tuttavia, l’effetto non è ovvio per il circuito da 20 mil. La Figura 2 mostra i risultati del test di due materiali del circuito con rugosità diversa, vale a dire il materiale del circuito standard Rogers RO4350B™ con elevata rugosità e il materiale del circuito Rogers RO4350B LoPro™ con bassa rugosità.

La Figura 2 mostra i vantaggi dell’utilizzo di un substrato di superficie liscia in lamina di rame per elaborare circuiti a microstriscia. Per substrati più sottili, l’uso di fogli di rame lisci può ridurre significativamente la perdita di inserzione. Per il substrato da 6.6 mil, la perdita di inserzione è ridotta di 0.3 dB a 20 GHz grazie all’uso di un foglio di rame liscio; il substrato da 10 mil è ridotto di 0.22 dB a 20 GHz; e il substrato da 20 mil, la perdita di inserzione è ridotta solo di 0.11 dB.

Come mostrato in Figura 1 e Figura 2, più sottile è il substrato del circuito, maggiore è la perdita di inserzione del circuito. Ciò significa che quando il circuito è alimentato con una certa quantità di potenza a microonde RF, più sottile è il circuito che genererà più calore. Quando si valuta in modo completo il problema del riscaldamento del circuito, da un lato, un circuito più sottile genera più calore di un circuito spesso a livelli di potenza elevati, ma dall’altro, un circuito più sottile può ottenere un flusso di calore più efficace attraverso il dissipatore di calore. Mantieni la temperatura relativamente bassa.

Per risolvere il problema del riscaldamento del circuito, il circuito sottile ideale dovrebbe avere le seguenti caratteristiche: basso fattore di perdita del materiale del circuito, superficie sottile di rame liscia, basso εr e alta conduttività termica. Rispetto al materiale del circuito con r elevato, la larghezza del conduttore della stessa impedenza ottenuta in condizioni di εr basso può essere maggiore, il che è vantaggioso per ridurre la perdita del conduttore del circuito. Dal punto di vista della dissipazione del calore del circuito, sebbene la maggior parte dei substrati del circuito PCB ad alta frequenza abbia una conduttività termica molto scarsa rispetto ai conduttori, la conduttività termica dei materiali del circuito è ancora un parametro molto importante.

Molte discussioni sulla conduttività termica dei substrati dei circuiti sono state elaborate in articoli precedenti e questo articolo citerà alcuni risultati e informazioni da articoli precedenti. Ad esempio, la seguente equazione e la Figura 3 sono utili per comprendere i fattori relativi alle prestazioni termiche dei materiali dei circuiti PCB. Nell’equazione, k è la conduttività termica (W/m/K), A è l’area, TH è la temperatura della fonte di calore, TC è la temperatura della fonte fredda e L è la distanza tra la fonte di calore e la sorgente fredda.